PROTOTIPAZIONE DI PRECISIONE:

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1 PROTOTIPAZIONE DI PRECISIONE: IL RUOLO DEGLI STAMPI IN 3D NEL SETTORE DELLO STAMPAGGIO A INIEZIONE di Lior Zonder, Applications Team Leader Nadav Sella, Solutions Sales Manager, Global Field Operations INTRODUZIONE Lo stampaggio a iniezione il processo di iniezione di materiale plastico in una cavità dello stampo dove si raffredda e indurisce assumendo la configurazione della cavità è utilizzato principalmente per la produzione in grandi volumi di parti e prodotti finali tridimensionali (3), spesso complessi. Tuttavia, lo sviluppo di stampi per questo processo è spesso un attività laboriosa, estremamente lunga e costosa. Gli stampi pesanti (hard-tooling) sono in genere prodotti in acciaio per utensili con macchine fresatrici CNC oppure mediante elettroerosione (EDM). Se utilizzati nella produzione in serie, possono durare milioni di cicli, ma costano centinaia di migliaia di dollari. Inoltre, il lead time richiesto per produrre questi stampi è spesso dell ordine di mesi, non di settimane o giorni. Quando si richiedono decine di migliaia di parti stampate a iniezione, la tecnica del soft-tooling è una possibile soluzione. Realizzati in alluminio, questi stampi sono meno costosi (generalmente 2,500-25,000) e più veloci da produrre (2-6 settimane). Sfortunatamente il costo e il tempo degli stampi è spesso aggravato da fattori quali errori di progettazione che richiedono il rifacimento dello stampo o la necessità di creare più iterazioni prima di raggiungere il design e la qualità della parte finale desiderati. Consapevoli di tutti questi aspetti, i produttori hanno iniziato a utilizzare stampi in 3D per creare prototipi stampati a iniezione. FOR A 3D W ORLD TM White Paper

2 STAMPI IN 3D CON TECNOLOGIA POLYJET: L ALTERNATIVA MODERNA La tecnologia PolyJet è un metodo esclusivo di stampa 3D offerto dalle stampanti 3D Objet di Stratasys grazie al quale le aziende sono in grado di costruire stampi a iniezione internamente, in tempi rapidi e con facilità. La stampa PolyJet crea oggetti 3D depositando strati successivi di un fotopolimero liquido nelle configurazioni desiderate. La plastica viene quindi solidificata mediante un processo di indurimento con raggi UV al termine del quale gli stampi possono essere installati immediatamente nel sistema di stampaggio a iniezione per creare prototipi nello stesso materiale che si intende utilizzare per il prodotto finale. Questi prototipi di precisione offrono alle aziende manifatturiere la possibilità di creare esempi realistici del prodotto finale, da utilizzare per raccogliere dati sulle prestazioni dello stesso più aderenti alla realtà. Gli stampi in 3D PolyJet non sono volti a sostituire gli utensili (leggeri o pesanti) utilizzati per la produzione di medi-alti volumi. La loro finalità è piuttosto di colmare il divario tra gli stampi da soft-tooling e i prototipi stampati in 3D. Il grafico seguente (Figura 1) mostra la nicchia occupata dalla tecnologia PolyJet nel processo di sviluppo dei prototipi. Aspetti chiave correlati agli stampi in 3D PolyJet: Il costo inziale di creazione dello stampo con tecnologia PolyJet è relativamente basso. Tuttavia, gli stampi PolyJet sono particolarmente adatti per cicli fino a 100 parti, in base al tipo di termoplastica utilizzato e al livello di complessità dello stampo. Di conseguenza, il costo per parte è medio. La costruzione di uno stampo PolyJet è relativamente veloce; è possibile realizzare uno stampo in poche ore, non servono giorni o settimane come nel caso degli stampi tradizionali. Nel caso in cui siano richieste delle modifiche al progetto, è poi possibile creare una nuova iterazione dello stampo internamente a un costo minimo. Questo aspetto, assieme alla velocità della stampa 3D PolyJet, offre ai progettisti e ingegneri una maggiore libertà di progettazione. Gli stampi creati nel materiale Digital ABS possono essere costruiti in sottilissimi strati da 30 micro, con una precisione fino a 0,1 mm. Queste caratteristiche di produzione permettono di ottenere superfici estremamente lisce, eliminando così nella maggior parte dei casi la necessità di una lavorazione successiva. Geometrie complesse, pareti sottili e dettagli fini possono essere facilmente programmati nel progetto dello stampo. Inoltre, questi stampi non sono più costosi di versioni più semplici degli stessi. Per la creazione degli stampi 3D PolyJet non è nemmeno necessaria alcuna programmazione preliminare. Inoltre, dopo aver caricato i file CAD, il processo di stampa 3D può Metodi di produzione dei prototipi Quantità ottimale di parti Materiale usato per produrre i prototipi Costo medio/ stampo Costo medio/ parte Tempo medio/ parte Stampa 3D* 1-10 FDM o plastica PolyJet N/D Alto Alto Fresatura meccanica Termoplastica N/D Alto Medio Stampaggio con silicone Termoindurente Basso Medio Alto Stampaggio a iniezione con stampo in 3D PolyJet Stampaggio a iniezione con soft-tooling Termoplastica Basso Medio Medio ,000+ Termoplastica Alto Basso Molto basso Figura 1. Caratteristiche della stampa PolyJet a confronto con i metodi tradizionali di produzione dei prototipi. * Sebbene i processi FDM e di sinterizzazione laser utilizzino termoplastiche per la creazione dei prototipi, le proprietà meccaniche non saranno equivalenti a quelle di una parte stampata a iniezione perché a) i processi usati per creare i prototipi sono diversi, e b) i materiali usati per creare i prototipi con FDM e sinterizzazione laser non sono generalmente uguali ai materiali usati per le parti finali stampate a iniezione 2

3 essere svolto senza alcun intervento manuale. Il tempo richiesto per stampare a iniezione una parte utilizzano uno stampo PolyJet è relativamente breve, tuttavia non al livello dello stampaggio convenzionale. SELEZIONE DEI MATERIALI Un adeguata selezione dei materiali è importante per il successo della stampa a iniezione utilizzando stampi PolyJet. Digital ABS è la scelta migliore per la stampa in 3D degli stampi a iniezione, in quanto combina la robustezza alla resistenza alle alte temperature. Altri materiali PolyJet come FullCure 720 e Vero offrono anch essi le stesse prestazioni di stampi convenzionali per stampaggio a iniezione. Se utilizzati per creare parti con geometrie complesse, gli stampi in questi materiali avranno una vita più breve rispetto a quelli in Digital ABS. I materiali migliori per creare parti stampate a iniezione sono quelli con temperature di stampaggio ragionevoli (< 300 C / 570 F) e buone condizioni del flusso. I candidati ideali sono: Polietilene (PE) Polipropilene (PP) Polistirene (PS) Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) Elastomero termoplastico (TPE) Poliammide (PA) Poliossimetilene o acetal (POM) Miscela policarbonato-abs (PC-ABS) Polipropilene o resina con fibre di vetro (G) Plastiche che richiedono temperature di lavorazione di 250 C (480 F) o superiori, oppure materiali con un alta viscosità alla temperatura di lavorazione, riducono la vita dello stampa e, in alcuni casi, la qualità della parte finita. La Figura 2 riepiloga il numero di parti generalmente ottenibile con i diversi metodi di produzione degli utensili. È utile inoltre esaminare la seguente analisi dei costi e dei benefici per comprendere come utilizzare lo stampaggio a iniezione con uno stampo PolyJet rispetto allo stampaggio a iniezione con stampo in alluminio. Come si vede nella tabella sotto (Figura 3), i risparmi in termini A= Polietilene (PE) Polipropilene (PP) Polistirene (PS) Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) Elastomero termoplastico (TPE) B= Polipropilene con fibra di vetro (PP+G) Poliammide (PA) Acetal (poliossimetilene [POM]) Miscela policarbonato-abs (PC+ABS) C= Poliammide con fibra di vetro (PA+G) Policarbonato (PC) Acetal con fibra di vetro (POM+G) D= Policarbonato con fibra di vetro (PC+G) Ossido di polipropilene (PPO) Solfuro di polifenilene (PPS) Figura 2. Numero previsto di parti per classe di materiale* * I numeri variano in base alle geometrie e alle dimensioni delle parti stampate a iniezione. di tempo sono stati molto significativi (da alcuni giorni a diverse settimane). Oltre a ciò, il costo per produrre gli stampi è stato generalmente dal 40% al 75% più basso. PROVE SUL CAMPO In collaborazione con Nypro Healthcare, produttore globale di prodotti in plastica di precisione per il settore sanitario e il packaging con sede a Bray, in Irlanda, Stratasys ha condotto una serie di test per valutare le prestazioni di anime di stampi e cavità realizzati mediante prototipazione rapida con caratteristiche critiche che includevano: Ingranaggi 3

4 Denti d arresto Gambe a incastro Fermi Durante una delle molte prove condotte, sono stati stampati a iniezione dei campioni in ABS utilizzando un singolo stampo 3D PolyJet costruito nel materiale Digital ABS. Sono stati quindi rilevati parametri quali pressione massima, cuscino e temperature di anima e cavità. La tabella seguente presenta i parametri di stampaggio a iniezione utilizzati per le prime 25 iniezioni dopo l ottimizzazione dello stampo. Al termine delle prove, lo stampo è stato giudicato stabile, come indicano la pressione di iniezione costante e la quota di cuscino. Inoltre, utilizzando la procedura raccomandata per il raffreddamento dello stampo, la temperatura di anima e cavità non ha superato i 58 C. Ma soprattutto, la qualità dei prototipi stampati a iniezione è stata ritenuta buona da Nypro. L analisi dei risultati ha permesso a Nypro di affermare: L esito delle prove di stampaggio a iniezione è stato molto positivo... il processo di stampa di anime e cavità può essere considerato vantaggioso in termini di tempo, valutazioni iniziali della funzionalità e minore costo degli utensili. Alluminio Digital ABS Costo Lead-time Costo* Leadtime Componenti $1,670 7 giorni $1, ore Objet500 Connex 810 gr RGD gr RGD gr supporto Digital ABS $1, giorni $396 7 ore Objet260 Connex 400 gr RGD gr RGD gr supporto Set di sei (6) cucchiaini da gelato in PP $1,900 4 giorni $ ore Objet350 Connex 500 gr RGD gr RGD gr supporto Stampo in Digital ABS per la produzione di un tappo filettato Figura 3. Analisi costo/beneficio in termini di tempo e costo di costruzione (confronto con stampi di alluminio). * Il costo per la stampa 3D è stato calcolato nel modo seguente: costo del materiale + tempo di stampa x costo di stampa orario per sistema utilizzato. Il costo di stampa orario è stato calcolato su una media di 17 ore di lavoro al giorno della macchina. 4

5 LINEE GUIDA PER LE BEST PRACTICE La progettazione di stampi a iniezione, per se stessa un arte, richiede anni di esperienza e una conoscenza approfondita del processo di stampaggio a iniezione. Sebbene le considerazioni in merito alla progettazione per la creazione e l uso di uno stampo PolyJet siano fondamentalmente le stesse valide anche per gli stampi realizzati secondo metodi tradizionali, esistono alcune differenze. Nella creazione di uno stampo PolyJet, si N. iniez. ABS Parametri di processo 12 GIU 13 Temp F/H ( C) Temp F/H ( C) Temp M/H ( C) Cuscino (mm) 1 54, , ,1 38, , , , ,4 37, ,2 5 49,0 40, , ,6 38, , ,6 39, , ,9 37, , ,9 38, , ,6 40, , ,8 44, , ,3 40, , ,1 41, , ,1 41, , ,0 42, , ,2 43, , ,7 41, , ,4 42, , ,7 42, , ,3 47, , ,3 46, , ,1 47, , ,2 43, , ,1 45, , ,5 47, ,22 Figure 4: ABS test data for Nypro injection molded parts. raccomanda ai progettisti di considerare le modifiche sotto elencate rispetto a uno stampo tradizionale in acciaio. 1. PROGETTAZIONE DELLO STAMPO Aumentare gli angoli di sformo fino al limite consentito dal disegno della parte. Questo faciliterà l estrazione e ridurrà la tensione sull utensile durante l espulsione della parte. Aumentare le dimensioni del punto di iniezione per ridurre la sollecitazione di taglio. Il punto di iniezione deve essere posizionato in modo che il materiale fuso che entra nella cavità non comprometta la corretta esecuzione di dettagli piccoli/sottili. Evitare di usare iniezioni a tunnel e puntiformi. Sono invece da preferire modalità che riducano le sollecitazioni di taglio, come le iniezioni a carota o laterali. Figura 5. Componente creato da Nypro per testare parti stampate a iniezione con uno stampo PolyJet. Figura 6. Campione finito. 5

6 2. STAMPA 3D DELLO STAMPO Per massimizzare le opportunità create dalla stampa 3D PolyJet, si raccomandano i seguenti accorgimenti: Stampare in modalità lucida per assicurare una finitura liscia delle superfici. Orientare la parte nel software Objet Studio in modo da massimizzare le superfici lucide. Orientare lo stampo in modo che il flusso del polimero abbia la stessa direzione delle linee di stampa. 3. FINITURA DELLO STAMPO Un vantaggio chiave degli stampi PolyJet è che possono essere progettati, costruiti e usati in poche ore. La maggior parte di essi necessita solo di pochissimi Figura 8. Inserti di stampo PolyJet sulla trattamenti successivi o macchina di stampaggio. L anima a sinistra non ne richiede affatto. e la cavità a destra. Un intervento di finitura potrebbe tuttavia essere necessario nei seguenti casi: Installazione dello stampo su un sistema di espulsione Per assicurare una perfetta corrispondenza tra i perni di estrazione e i rispettivi fori, programmare i fori nel file STL, riducendone il diametro di 0,2-0,3 mm. In seguito all indurimento dello stampo, alesare i fori per ottenere l esatto diametro finale. Inserti fissati a una base. Necessità di un processo di levigatura extra delle superfici. A volte è consigliabile eseguire una leggera Figura 7. Stampo a iniezione PolyJet realizzato con Digital ABS con un 20% di nylon GF. Figura 9. Sistema di estrazione montato sull inserto stampato in 3D. smerigliatura delle superfici trasversalmente all apertura dello stampo. Ad esempio, prima di usare uno stampo con un anima alta, una leggera levigatura può facilitare la rimozione della parte. 4. MONTAGGIO Gli stampi non fissati al telaio di una base possono essere montati direttamente su sottopiastre standard o sulle sottopiastre in acciaio della macchina utilizzando viti o nastro bioadesivo. Gli inserti visualizzati nella Figura 8 sono fissati a una base mediante bulloni. Figura 10. Orientare la parte in Objet Studio in modo da massimizzare le superfici lucide. IN ALTO: quando lo stampo è orientato lungo l asse Y, i filetti saranno configurati dal materiale di supporto. IN BASSO: quando lo stampo è orientato lungo l asse Z, i filetti saranno configurati automaticamente senza materiale di supporto. Qualsiasi sia l opzione di montaggio scelta, è fondamentale evitare il contatto diretto tra l ugello e lo stampo realizzato in 3D, utilizzando boccole del canale di iniezione standard. Un opzione alternativa è centrare il canale dello stampo con la materozza (carota) situata su una normale piastra d acciaio. 5. PROCESSO DI STAMPAGGIO A INIEZIONE Quando si utilizza uno stampo PolyJet per la prima volta, il miglior modo di procedere è il seguente: Iniziare con una stampata incompleta e una bassa velocità di iniezione. Il tempo di riempimento può essere prolungato nella misura in cui il Figura 11. Processo di finitura dello materiale fuso non si stampo. solidifica quando entra nello stampo. Aumentare il volume di iniezione finché la cavità non è piena al 90-95%. 6

7 Nella fase di mantenimento, utilizzare una pressione pari al 50-80% della pressione di iniezione effettiva e regolare il tempo di mantenimento in base alle necessità, per evitare risucchi. Figura 12. Stampo indipendente fissato A p p l i c a r e con nastro biadesivo alle sottopiastre della inizialmente una macchina di stampaggio. forza di chiusura calcolata in base alla normale formula (pressione di iniezione x superficie proiettata della parte). Gli stampi PolyJet presentano una bassa conduttività termica, quindi richiedono tempi di raffreddamento estesi. Per parti sottili o di piccole dimensioni (spessore delle pareti fino a 1 mm), si consiglia di iniziare con un tempo di raffreddamento di 30 secondi e quindi di regolarlo in base alle necessità. Per le parti di maggiori dimensioni (spessore della parete di 2 mm o più), è bene iniziare con 90 secondi e regolare poi di conseguenza. Il tempo di raffreddamento varia in base al tipo di resina plastica utilizzata. Si raccomanda comunque un raffreddamento minimo per evitare un eccessivo restringimento della parte sulle anime stampate in 3D. Un raffreddamento eccessivo può provocare tensioni sullo stampo Figura 13. Inserti assemblati su una base quando si estrae la di acciaio standard e tenuti in posizione con parte, rischiando di apposite viti per metallo. danneggiarla. Dopo ogni ciclo di stampaggio, è fondamentale consentire alla superficie dello stampo di raffreddarsi, applicando aria pressurizzata, per preservare la qualità della parte e la vita dello stampo. In alternativa, è possibile utilizzare sistemi di raffreddamento dello stampo automatizzati. di stampaggio a iniezione e gli stessi materiali che verranno utilizzati per realizzare il prodotto finale. Avvalendosi di questa tecnologia le aziende potranno generare dati prestazionali di qualità Figura 14. Sistema di raffreddamento montato sullo stampo. All apertura dello superiore e attestare con stampo sulla superficie viene applicata aria pressurizzata per un tempo prestabilito. maggiore sicurezza la conformità dei requisiti per la certificazione. L unicità degli stampi PolyJet risiede nell essere intercambiabili con gli stampi in metallo, ma realizzabili a un costo di gran lunga inferiore, in modo più semplice e in tempi più rapidi. Con la tecnologia PolyJet è possibile ottenere prototipi con tempi e costi ben al di sotto di quelli dei metodi tradizionali. Conseguentemente, la stampa 3D aiuta le aziende manifatturiere a valutare facilmente le prestazioni, l adeguatezza e la qualità di prodotti in corso di sviluppo prima di iniziare la produzione in serie. CONCLUSIONI L uso degli stampi in 3D PolyJet permette di raggiungere un livello più avanzato nell esecuzione delle prove funzionali, grazie alla possibilità di creare prototipi con lo stesso processo 7

8 PARAMETRI DI BEST FIT Gli stampi PolyJet sono la soluzione ideale quando si lavora con i seguenti materiali. Termoplastiche: Temperature di stampaggio < 300 C (570 F) Buona fluidità Candidati: --Polietilene (PE) --Polipropilene (PP) --Polistirene (PS) --Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) --Elastomero termoplastico (TPE) --Poliammide (PA) --Poliossimetilene o acetal (POM) --Miscela policarbonato-abs (PC-ABS) --Resine rinforzate con fibra di vetro Quantità: Basse quantità (5-100) Dimensioni: Parti di medie dimensioni < 165 cm 3 (10 in 3 ) Macchine di stampaggio da 50 a 80 tonnellate È possibile usare anche presse manuali. Progettazione: Sono richieste più iterazioni di progettazione. Prove: È richiesta la conferma della funzionalità. Sono richieste prove di conformità (ad es., UL o CE). Stratasys info@stratasys.com 7665 Commerce Way Eden Prairie, MN (numero verde USA) (Intl) (Fax) 2 Holtzman St. Science Park, PO Box 2496 Rehovot 76124, Israel (Fax) Stratasys GmbH Airport Boulevard B Rheinmuenster, Germania (Fax) emea@stratasys.com Certificazione ISO 9001: Stratasys Ltd. Tutti i diritti riservati. Stratasys, il logo Stratasys, Digital Materials, PolyJet sono marchi o marchi registrati di Stratasys Ltd. e/o delle sue società consociate o affiliate e possono essere registrati in alcune giurisdizioni. Fused Deposition Modeling, FDM Technology sono marchi di Stratasys Inc. Specifiche di prodotto suscettibili di modifiche senza preavviso. SSYS-WP-InjectionMolding-A IT Per ulteriori informazioni su sistemi, materiali e applicazioni Stratasys, telefonare al numero (USA) o visitare