Desenvolvimento de molde de injeção de plástico fabricado por manufatura aditiva metálica

07/04/18

O termo Manufatura Aditiva – MA (Additive Manufacturing) surgiu no final dos anos 80, quando começaram a ser desenvolvidos componentes ou produtos definitivos como resultado da evolução das técnicas de prototipagem rápida. 

Diferente da Prototipagem Rápida que fabrica somente protótipos, a Manufatura Aditiva refere-se às técnicas que produzem componentes ou produtos definitivos, empregando o método de fabricação por deposição de matéria-prima em camadas, conforme a geometria da peça. Popularmente, esta técnica é conhecida como impressão 3D, em geral para a fabricação de peças em polímeros. Os sistemas de MA mais avançados atualmente são capazes de produzir peças metálicas para aplicações reais.

Os principais sistemas de fabricação de MA metálica podem ser divididos em: i) processos em que o pó é apenas sinterizado e ii) processos em que o pó é totalmente fundido. Neste projeto foi empregada a técnica de Fusão Seletiva a Laser (SLM – Selective Laser Melting). Ressalta-se que existem outras diferentes técnicas de Manufatura Aditiva, como apresentado mais detalhadamente por Souza e Ulbrich (2013).

A tecnologia de Fusão Seletiva a Laser (SLM) foi desenvolvida através da necessidade em fabricar peças com elevada densidade, propriedades mecânicas comparáveis às dos materiais a granel, evitar longos ciclos de fabricação e permitir a fabricação de formas geométricas complexas.

Canais complexos de refrigeração (conformal cooling)

O surgimento das técnicas de MA torna possível a criação de peças complexas totalmente funcionais, as quais não poderiam ser fabricadas por processos tradicionais.

Na fabricação de moldes para injeção de plástico, os canais de refrigeração são fabricados pelos métodos tradicionais de furação, e, portanto, são canais retilíneos. Isto, na maior parte dos casos, não propicia uma refrigeração homogênea do molde e do produto após o processo de injeção, resultando em processos não otimizados e detrimento da qualidade do produto plástico.

A fabricação de canais complexos de refrigeração está sendo possível pela aplicação das técnicas de MA na fabricação das cavidades de moldes. Estes canais complexos são conhecidos pelo termo inglês Conformal Cooling (figura 1). No estudo realizado por Marques, et a. (2013), dois projetos de Conformal Cooling foram estudados: em série e em paralelo (fig. 1b e fig. 1c).

Este estudo foi realizado empregando a técnica de simulação por elementos finitos (CAE). Os autores concluíram que a utilização de conformal cooling em série apresentou uma redução significativa do empenamento das peças injetadas, se comparado aos outros dois sistemas de refrigeração. 

Também, apresentou número de Reynolds próximo a 10.000, que é o recomentado, propiciando maior homogeneidade na temperatura do molde. Contudo, a redução do tempo de ciclo de injeção foi de 6%. Os autores atribuem esta baixa redução devido as características geométricas da peça avaliada.

Marin et al (2017) propõe um projeto de conformal cooling que integra o sistema em paralelo e em série, no mesmo sistema. O projeto também foi avaliado por simulação CAE. Segundo os autores, esta proposta de projeto aproveita os benefícios de ambos os sistemas. Adicionalmente, este projeto permite a fabricação do sistema de refrigeração, inicialmente empregando o processo de furação, para fabricar regiões simples, e posteriormente SLM, para fabricar as regiões complexas. Assim, tende-se a reduzir significativamente o custo do molde.

Ambos os estudos apresentam os benefícios, limitações e projetos de conformal cooling fabricados por SLM. Contudo, os resultados foram obtidos apenas com simulações do processo por sistemas CAE. Não foram fabricados os ferramentais.

Dentro deste escopo, o presente artigo apresenta os resultados gerais de um projeto de pesquisa que estudou toda a cadeia de manufatura de um molde para injeção de plástico, fabricado por manufatura aditiva (SLM), contendo canais complexos de refrigeração. Além do projeto e fabricação, foram estudados os reais benefícios deste molde no ciclo de produção de peças plásticas e a qualidade do produto injetado.

Metologia 

Neste projeto foi utilizada uma peça de plástico de um automóvel como corpo de prova para estudo, gentilmente cedida pela BMW-Brasil. A figura 2 apresenta a geometria estudada. Esta geometria foi escolhida pois, além de representar um estudo real, ela possui torres lineares, possíveis de utilizar sistema de refrigeração por palhetas (Baffles), fabricado pelo método convencional, furação. Assim, desejou-se comparar também a eficiência de um molde contendo canais complexos de refrigeração fabricados por SLM (maior custo) com um molde com palhetas (menor custo). Lembrando que em muitos casos a refrigeração por paletas não é possível; restando a fabricação de um molde por SLM ou arcar com as limitações da refrigeração convencional.

Tendo esta geometria como base, foram executadas as seguintes etapas: a) projeto de molde e projeto de diferentes opções de sistemas de refrigeração conformal cooling; b) análises de simulação CAE; c) planejamento da fabricação; d) fabricação do molde, por usinagem e por SLM; e) teste de injeção; f) avaliação das peças plásticas fabricadas. O desenvolvimento destas etapas está apresentado a seguir.

Resultados 

Os resultados gerais de cada etapa deste projeto estão apresentados a seguir.

a)   Projeto de molde e dos canais de refrigeração

A estrutura e dispositivos gerais do molde foram projetados conforme as técnicas convencionais de projeto. O foco principal foram os canais de refrigeração. A fim de estudar diferentes tipos de refrigeração, o molde foi projetado com insertos intercambiáveis, desta forma, insertos com diferentes canais de refrigeração podem ser avaliados (figura 3).

b)   Análises de simulação CAE

Foram realizadas diversas simulações CAE para identificar a eficiência de diferentes projetos de conformal cooling. O mais eficiente demonstrou ser a utilização combinada de circuito em série e paralelo, como mostra a figura 4. Observa-se significativa diferença de temperatura entre os moldes assim como a homogeneidade do gradiente de temperatura.

c) Fabricação do molde, usinagem e SLM

Com o objetivo de reduzir o custo de fabricação os insertos do molde foram projetados para serem fabricados por fresamento, as partes não complexas, e posteriormente, por SLM, para a fabricação das regiões complexas, como mostra a figura 5.

A combinação destes dois processos de fabricação resultou em uma economia significativa de custo e tempo. Se o inserto todo fosse fabricado por SLM, o custo seria de R$ 27.000,00 e levaria 38 horas de processo SLM. Empregando o fresamento para fabricar de parte do inserto, o custo de SLM foi de R$ 11.500,00 e 15 horas de trabalho. Contudo, é importante salientar que a fusão que deve ocorrer entre a parte fabricada por fresamento e posteriormente por SLM não é um processo simples. 

Deve haver um estudo preliminar para verificar a compatibilidade entre os materiais assim como os parâmetros de SLM. Um estudo sobre a influência dos parâmetros de processo SLM na qualidade das peças fabricadas pode ser encontrado em Marques (2014). Neste projeto, os parâmetros e materiais empregados mostraram total compatibilidade, conforme comprovado por Fontanella (2017). A figura 6 apresenta as etapas de fabricação dos insertos.

d) Testes de injeção e avaliação das peças plásticas fabricadas 

Testes de injeção foram realizados alterando os insertos com conformal cooling e os com refrigeração convencional. A Figura 7 mostra exemplos de três peças injetadas. As peças 1 e 2 foram fabricadas utilizando os insertos com refrigeração convencional e a peça 3 utilizando os insertos fabricados com SLM.

Pode-se notar que as peças 1 e 2, fabricadas com sistemas convencionais de refrigeração, apresentam maiores deformações (contração e empenamento) e presença de bolhas. Defeitos minimizados na peça 3, injetada no molde com conformal cooling.

Durante os testes de injeção, a temperatura interna do molde com conformal cooling ficou em torno de 40°C, estabilizada, permitindo a injeção de um grande lote de peças. No molde com refrigeração convencional a temperatura, para o mesmo tempo de ciclo, atingiu 55°C em apenas 4 ciclos. A partir do quinto ciclo não foi mais possível extrair peças com qualidade.

Principais conclusões 

As principais conclusões deste trabalho podem ser apresentas a seguir:

• · Ao empregar um molde com conformal cooling fabricado por SLM, para se ter um processo viável economicamente e/ou de qualidade, deve-se considerar a geometria da peça, o material a ser injetado, as propriedades mecânicas necessárias no produto;
  
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• · Ao utilizar canais conformal cooling em projetos de moldes, estes devem ser cautelosamente avaliados por simulação, além de considerar as condições de processo de SLM e fresamento. Existem inúmeras opções de projeto e, se não for identificada a melhor opção, os benefícios esperados podem não ser alcançados;
  
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• · Devido ao elevado custo de fabricação por SLM, uma opção que se demonstrou vantajosa é a utilização conjunta dos processos convencionais de usinagem (furação e fresamento) associado ao processo SLM. Esta associação de processos de fabricação propiciou uma redução significativa do custo e % do tempo de fabricação, no caso estudado;
  
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• · Na utilização conjunta destes dois processos de fabricação deve-se tomar cuidado com a seleção dos materiais, visando compatibilidade do material depositado pelo processo SLM e o material de base, garantindo assim melhor qualidade da fusão. Além disso, o correto ajuste de zeramento deve ser avaliado para coincidir os furos da peça base com os furos fabricados por SLM;
  
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• · A homogeneidade da temperatura, observada nas cavidades com refrigeração concormal cooling foi significativamente melhor do que com refrigeração convencional, apresentando menores valores.

Agradecimentos

A Villares Metals pelo fornecimento de aço P20 e N4534QA, a Polimold pelo fornecimento do porta-moldes, a Sandvik Coromant pelo fornecimento de ferramentas de usinagem. As empresas BMW-Brasil, Sigmasoft-Magma, Tecnodrill, Comac, Tecnomotriz, Sokit plásticos e Techcontrol, pelo apoio técnico e serviços. As instituições de fomento CAPES e CNPQ e ao Edital UFSC CJ 01/2015.

Co-autores 

Felipe Marin 
Luis Fontanella 
Rodrigo Berretta Käsemodel 
Jackson Miranda 

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