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Fabrico aditivo: máquinas e sistemas para componentes 3D de metal, plástico e cerâmica

Integração funcional: impressão 3D de uma ferramenta de moldagem por injeção de metal (MIM) com refrigeração próxima do contorno

05/10/2023

A Cátedra de Microfluídica da Universidade de Rostock colabora com a Stenzel MIM Technik GmbH (Tiefenbronn, perto de Pforzheim) num projeto para imprimir uma ferramenta 3D de moldagem por injeção de metal (MIM). A base do desenvolvimento é a utilização da tecnologia CEM da AIM3D com um sistema ExAM 255, que combina elevada precisão com altas velocidades de construção. Em comparação com uma abordagem convencional de maquinagem, a utilização de um processo aditivo para produzir uma ferramenta MIM reduz o tempo total de produção de cerca de oito semanas para aproximadamente cinco dias.

Ferramenta MIM produzida com o processo CEM. Foto: AIM3D
Ferramenta MIM produzida com o processo CEM. Foto: AIM3D.

Como parte de um projeto financiado pelo Ministério Federal Alemão da Economia e da Energia (BMWi), a ferramenta MIM impressa em 3D é um desenvolvimento cooperativo entre a Cátedra de Microfluídica (LFM) da Universidade de Rostock e a Stenzel MIM Technik GmbH. A duração do projeto vai de abril de 2021 a outubro de 2023. A base do processo e da aplicação é a utilização da tecnologia CEM da AIM3D, implementada num sistema ExAM 255. O projeto representa o estado atual da técnica em impressão 3D de metais.

Ferramenta 3D com refrigeração próxima do contorno para moldagem por injeção de metal (MIM)

O objetivo do projeto conjunto entre a Universidade de Rostock e a Stenzel MIM Technik era utilizar a impressão 3D para fabricar uma ferramenta para a moldagem por injeção de metais com refrigeração próximo do contorno. Na impressão 3D, a refrigeração próxima do contorno pode ser incorporada como uma integração funcional com canais helicoidais diretamente na ferramenta. Por outras palavras, não é incorporada como entradas, como acontece com as ferramentas de maior dimensão. O objetivo de qualquer refrigeração próxima do contorno de moldes de injeção de metais ou polímeros é reduzir significativamente o tempo de ciclo. O princípio da refrigeração próxima do contorno consiste em guiar os fluidos refrigerantes através de canais de refrigeração próximos do contorno com secções transversais baixas. Arrefecem o componente já durante o ciclo. Isto acelera o processo de desmoldagem, o que reduz consideravelmente o ciclo.

Cadeia de produção de uma ferramenta MIM. Foto: AIM3D
Cadeia de produção de uma ferramenta MIM. Foto: AIM3D.

A geometria complexa dos canais de refrigeração helicoidais é criada com a ajuda da tecnologia CAD, utilizando modelos de simulação baseados nas “necessidades” do componente. A experiência a longo prazo mostra uma redução do tempo de ciclo de cerca de 20%, em função da espessura e da dimensão da parede.

Como solução de componente integrado, a impressão em 3D oferece a vantagem de uma “técnica de uma única vez” como integração funcional em comparação com os processos com molde. O exemplo de aplicação demonstra, portanto, uma oportunidade para reduzir drasticamente o tempo para comercialização. O objetivo do projeto de cooperação é desenvolver uma nova cadeia de processos para a produção rápida e rentável de ferramentas MIM. Até agora, eram necessários prazos de até oito semanas para produzir um molde de injeção de metal convencional. Com a impressão 3D de metais, o tempo de fornecimento de uma ferramenta MIM pode ser reduzido para cerca de cinco dias.

Impressora 3D multimaterial ExAM 255. Foto: AIM3D
Impressora 3D multimaterial ExAM 255. Foto: AIM3D.

Detalhes do desenvolvimento da ferramenta na Universidade de Rostock

No âmbito da cooperação, foi inicialmente desenvolvido um modelo 3D otimizado da ferramenta, utilizando ferramentas CAD e de simulação. Estes dados foram depois transferidos para o sistema CEM ExAM 255, juntamente com os parâmetros de processo necessários. A chamada “peça verde” é depois impressa em 3D. A peça é depois sinterizada num processo de várias etapas para obter as propriedades finais do material.

Com este processo, é possível produzir rapidamente componentes metálicos complexos após os passos necessários de desbobinagem e sinterização. Ao mesmo tempo, o processo CEM permite controlar a contração volumétrica associada à sinterização. O molde resultante tem uma cavidade. O componente consiste numa peça de parede grossa com alhetas finas. Estas alhetas não podem ser produzidas sem refrigeração próxima do contorno, uma vez que são difíceis de desmoldar. A Stenzel MIM Technik espera conseguir uma redução significativa do tempo de ciclo para este componente de até 70 a 80%. No entanto, os ensaios de moldagem por injeção para os testes ainda estão pendentes.

Produção de uma ferramenta 3D para a moldagem por injeção de metal numa ExAM 255. Foto: AIM3D
Produção de uma ferramenta 3D para a moldagem por injeção de metal numa ExAM 255. Foto: AIM3D.

Diversidade de materiais com a ExAM 255

A impressora 3D multimaterial ExAM 255 pode ser utilizada com diferentes materiais (metais, plásticos, cerâmica) e com diversos processos (componentes híbridos). Em comparação com os processos de leito de pó ou mesmo com outros processos de impressão 3D que utilizam filamentos, os sistemas que utilizam o processo CEM atingem resistências à tração que se aproximam das da clássica moldagem por injeção de termoplásticos associada aos moldes. A vantagem de preço da impressão 3D é particularmente notória quando são utilizados granulados disponíveis no mercado em vez de filamentos. Quando são utilizados granulados, o processo CEM implica uma poupança de custos até 10 vezes superior.

Abdullah Riaz, diretor do projeto e membro da Cátedra de Microfluídica da Universidade de Rostock (LFM)...

Abdullah Riaz, diretor do projeto e membro da Cátedra de Microfluídica da Universidade de Rostock (LFM): “Com o processo CEM, é possível reduzir tanto os custos de material como os das máquinas, evitando simultaneamente os problemas do fabrico aditivo no que diz respeito às tensões residuais e aos ajustes de material em máquinas individuais. Esta solução inovadora permite fabricar ferramentas 4 a 8 vezes mais rapidamente e, ao mesmo tempo, de forma mais rentável”. Foto: AIM3D.

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