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3D Printing and 3D Systems printers 3D Printing and 3D Systems printers
Canali conformati con la stampa 3D metallo

Canali conformati con la stampa 3D metallo

luglio 6, 2016 in Casi studio

Bastech dimostra che il sistema completo di 3D Systems (in Italia distribuito da 3DZ) permette di realizzare canali conformati che ottimizzano l’intero processo produttivo dello stampo ad iniezione. Si raggiungono risparmi del 70% nel tempo di progettazione e 16% del costo dello stampo stesso. Il tutto con numeri alla mano, come evidenziato dalle tabelle di comparazione presenti nell’articolo e nei video correlati.

Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione industriale in cui un materiale plastico viene fuso (plastificato) e iniettato ad elevata pressione all’interno di uno stampo chiuso, che viene aperto dopo il raffreddamento del manufatto. La sfida di questo processo è, da sempre, mantenere la temperatura costante su tutta la superficie dello stampo chiuso (per avere prodotti di qualità) e minimizzare il ciclo produttivo (per produrre un maggior numero di pezzi). Per raggiungere temperature uniformi nello stampo, i produttori hanno usato, negli anni, vari tipi di soluzioni, fino ad arrivare alla creazione di canali di raffreddamento progettati all’interno dello stampo stesso. I canali variano, chiaramente, a seconda dello stampo che si realizza di volta in volta.

La funzionalità dello stampo e la qualità dei pezzi dipende fortemente dalla posizione dei canali di raffreddamento rispetto alle cavità. Il circuito di raffreddamento deve passare il più vicino possibile alle cavità, per permettere un raffreddamento degli stampi a iniezione che sia il più breve possibile e quindi ridurre il tempo di ciclo produttivo.

La tecnologia utilizzata nei decenni, per la realizzazione nello stampo dei canali di raffreddamento, è stata la tradizionale foratura, che permette di ottenere canali rettilinei e di sezione esclusivamente circolare. Si tratta di tradizionali lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo, quindi con limitate possibilità geometriche. Con l’introduzione della stampa 3D a metallo, che si basa sull’addizione di polveri metalliche, si possono realizzare canali che possono seguire molto fedelmente la forma tridimensionale delle superfici dell’impronta, per questo detti “conformali”.

 

“La metodologia denominata rock-solid da Bastech”

 

Bastech, un centro di servizi per l’iniezione conto terzi, specializzato in stampa 3D che si trova in America, nell’Ohio, conosce bene la problematica legata al raffreddamento degli stampi e ha trovato un metodo efficace ed allo stesso semplice per ottenere un processo ottimale. Il CEO di Bastech ha voluto condividere i successi ottenuti analizzando i risultati di due test reali effettuati, confrontando il metodo tradizionale e tramite canali conformati realizzati in stampa 3D. La forte collaborazione con le soluzioni di 3D Systems (in Italia distribuite da 3DZ con 7 sedi in Italia) ha permesso la svolta. Bastech ha introdotto la stampa 3D a metallo con la macchina ProX 200, affiancandola a software specifici per gli stampi di 3D Systems, Geomagic Control e Climatron mold-making software.

Con una integrazione tra il mondo digitale (software Geomagic) e quello fisico (Stampa 3D metallo), il processo ha portato complessivamente ad una riduzione del 70% del tempo di progettazione e del 16% del costo dello stampo: con risultati qualitativi che sono migliori dei metodi tradizionali.

La stampa 3D si è rivelata una tecnica ideale per la costruzione di componenti complessi geometricamente e provvisti internamente di una rete sagomata di canali, con ramificazioni secondarie per il raffreddamento in parallelo: permette infatti una assoluta libertà nella realizzazione dei percorsi e delle forme delle sezioni. Possibilità che permette di ottimizzare il condizionamento dello stampo. E nello stampaggio delle materie plastiche ottimizzare il condizionamento dello stampo significa ridurre il tempo ciclo, migliorare la qualità estetica del prodotto grazie a una termoregolazione uniforme, riduzione delle tensioni residue e quindi delle deformazioni sul pezzo.

L’inserto in stampa 3D viene realizzato per avere una vita pari a quella dell’intero stampo e garantire elevate tirature produttive. Grazie alla qualità delle polveri utilizzate, le caratteristiche meccaniche, di resistenza e di lavorabilità dell’inserto sono praticamente identiche se non migliori a quelle riscontrabili in un acciaio forgiato. Oltre al trattamento termico di invecchiamento (mediante il quale è raggiungibile una durezza di 52-54 HRC) sono inoltre possibili diversi trattamenti superficiali (nitrurazione, nichelatura, PVD). Qualora fosse necessario inoltre, l’inserto ottenuto può essere modificato o sottoposto a saldatura laser, lucidatura e altre lavorazioni come un qualsiasi tassello tradizionale.

Nel video di presentazione dei risultati del test di Bastech, il CEO Ben Staub presenta in dettaglio come “L’uso combinato di potenti software sviluppati per sfruttare al meglio le potenzialità della stampa 3D, in combinazione con stampanti 3D metallo che producono componenti perfetti, forniscono il perfetto mix per creare stampi ad iniezione personalizzati e con un’efficacia estrema”.

 

L’approfondimento – Automatizzare la progettazione e l’analisi

 

Bastech, azienda specializzata in stampi ad iniezione, ha accuratamente dimostrato con dei casi reali, come con l’utilizzo della stampa 3D a metallo ci sia un importante ritorno dell’investimento.

Il primo test di Bastech ha confrontato due componenti molto simili in termini di volume, dimensione e forma. Uno è stato progettato con un corpo centrale con canale di raffreddamento conformato e quindi stampato in 3D, l’altro è stato progettato con una configurazione tradizionale e con un diaframma di raffreddamento a spirale, realizzato con metodi tradizionali. Il progetto di raffreddamento tramite canali conformati è stato realizzato con Cimatron, un software CAD/CAM che copre tutto il ciclo di produzione degli stampi, sempre distribuito da 3DZ in Italia. Progettare con software perfettamente integrati con soluzioni di stampa 3D permette di avere un flusso di lavoro ottimizzato per la riduzione di costi e tempi di produzione.

 

Grandi risparmi di tempo – i risultati del primo test

 

I canali conformati di raffreddamento sono stati progettati per poi essere stampati in 3D grazie alla ProX 200 della 3DZ. Sono stati creati in modo che la distanza dalle pareti fosse sempre costante in tutti i lati dell’elica e che fosse possibile realizzare in un’unica stampa 3D (per evitare ulteriori lavorazioni). Nel video che accompagna questo articolo, si vede la progettazione di tali canali e la successiva realizzazione tramite stampa 3D.

La progettazione dello stampo ha richiesto solo due giorni ed è stato creato con la ProX DMP 200 in tre giorni. Per massimizzare la sua produttività, Bastech ha inoltre aggiunto alla stampa altri componenti che servivano ad altri progetti. La ProX DMP 200 è un’alternativa economicamente vantaggiosa ai processi di produzione tradizionali, con vantaggi evidenti quali sprechi ridotti, maggiori velocità di produzione, brevi tempi di installazione, componenti in metallo estremamente densi e la capacità di produrre in una singola parte quelli che sarebbero degli assemblati complessi.

 

“Dai test fatti e dalle analisi dei dati in nostro possesso”, continua Staub di Bastech “la stampa 3D a metallo nel settore degli stampi è uno strumento che aumenta le nostre potenzialità dandoci maggiori strumenti di produzione, flessibilità e risolve molti problemi di raffreddamento. Possiamo risparmiare 30-40 ore per stampo eliminando lavorazioni manuali, riducendo drasticamente il tempo di utilizzo dei centri di lavoro CNC e laboriosi lavori di rifinitura dello stampo stesso.”

 

Entrando nello specifico del test dell’elica (primo test effettuato), la progettazione e l’analisi con il software Cimatron, combinato all’uso della stampa 3D con la ProX DMP 200, ha permesso, afferma Young (direttore dipartimento di ingegneria), di risparmiare più di 40 ore tra la progettazione e realizzazione dello stampo. Considerando tutti i costi, il corpo centrale stampato in 3D ha generato un risparmio netto di 1765 dollari (risparmio del 18%) rispetto i metodi tradizionali.

Anche i tempi di produzione si sono ridotti, infatti lo stampo con canali conformati ha mantenuto una temperatura più bassa durante lo stampaggio, riducendo i tempi di produzione del 22%. La durata del ciclo di produzione (maggiore redditività) assieme a temperature costanti nello stampo (qualità dei pezzi ottenuti) sono i due parametri principali nello stampaggio ad iniezione. Con gli strumenti di 3D Systems si ottengono ottimi risultati in entrambi i fronti.

“Più riusciamo a mantenere la temperatura uniforme e costante, più possiamo stampare componenti di qualità” continua Young. “Eliminare i momenti di deformazione dovuti alle variazioni di temperatura e riducendo i tempi del ciclo è un enorme guadagno nella performance”.

 

Vantaggi confermati da un secondo test

 

In un secondo test, Bastech si è voluta spingere oltre, progettando uno stampo particolarmente complesso, con presenza di canali conformati di raffreddamento e altre cavità. L’obiettivo del test è stato di mantenere la stessa temperatura (110F) tra il design convenzionale e quello conformato per verificare come questo avrebbe influito sul raffreddamento e sui tempi del ciclo di produzione.

La tabella “benchmark 1” (sopra) riporta in dettaglio i cicli produttivi e relativi risultati ottenuti.

 

Ancora una volta, i risparmi di tempo più considerevoli sono stati registrati nella progettazione, nella produzione e nella lucidatura. Inoltre il processo EDM (metodo di erosione di materiale grazie ad una serie di scariche elettriche tra l’elettrodo della macchina ed il pezzo da lavorare) è stato completamente rimosso grazie alla creazione di canali di raffreddamento. Questo ha permesso un ulteriore snellimento dell’intero processo. L’automazione interna al software Cimatron ha ridotto i tempi di progettazione da 30 ore fino a 7 ore per lo stampo con raffreddamento tramite canali conformanti.

 

Oltre al risparmio nella progettazione si è avuto un risparmio del 16% del costo di produzione dello stampo stesso, il cui costo è stato di 2505 dollari (come si vede nella tabella “benchmark 2” – a lato).

 

I tempi di raffreddamento sono stati ridotti dai 10.5 secondi per lo stampo tradizionale a 7.5 secondi per quello conformato con conseguente riduzione dei tempi del ciclo produttivo del 14%.

 

Un considerevole impatto sul bilancio finale

 

“Il desiderio di ottenere dei tempi di raffreddamento migliori c’è da moltissimo tempo in questo settore,” afferma Young. “Ora abbiamo il software ottimale che aiuta gli stampisti a fare delle scelte migliori su come impostare le cavità, i corpi centrali e gli inserti, con la possibilità poi di essere realizzati grazie alla stampa 3D.”

La stampa 3D a metallo, continua il CEO di Bastech, permette vantaggi enormi per il raffreddamento degli stampi a iniezione. I risultati sono confermati dai dati dei test presentati in questo articolo: mentre con i metodi classici di raffreddamento si può solamente forare in alcuni punti e non si può far curvare i fori lungo i canali, con la stampa 3D a metallo si possono creare dei canali di raffreddamento che seguono fedelmente la geometria del pezzo che si vuole ottenere.

“Molti produttori di utensili avranno bisogno di adottare questa tecnologia per migliorare la loro produzione,” afferma. “abbiamo voluto condividere il nostro successo per dimostrare che non solo è un processo fattibile, ma anche che porta un ritorno dell’investimento importante anche nel breve periodo”.

 

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