Justificando la fabricación aditiva con simulación en moldeo por inyección de plástico
La fabricación aditiva ha estado en boca de todos durante más de una década, y la impresión 3D se ha convertido en parte de la producción diaria. Además de los prototipos rápidos y los lotes pequeños de producción, la atención también se centra en las oportunidades que ofrece esta tecnología de fabricación a través de posibilidades completamente nuevas en el diseño y la conformación.
En el moldeo por inyección moderno, el control estable de la temperatura del molde es el requisito básico para un proceso robusto y una alta calidad de los componentes. El control preciso y local de la temperatura no solo afecta al tiempo de ciclo, sino también a la contracción y la deformación. Por lo tanto, el diseño de los canales de refrigeración en términos de disposición y caudal debe planearse cuidadosamente. Para un control uniforme de la temperatura, se recomienda el enfriamiento conformal de contorno cerrado, pero este puede ser complejo al diseñarlo. Para el diseño detallado y confiable del molde de inyección de plástico y el proceso, el software de simulación como SIGMASOFT Virtual Molding son indispensables.
Aquí, el molde, incluidas todas las zonas de calentamiento, los canales de enfriamiento y los materiales aislantes, se operan virtualmente en la computadora con el material plástico seleccionado, simulando con precisión cada ciclo. Los defectos y los problemas de calidad se detectan antes de que ocurran. Los cambios y la optimización se pueden probar virtualmente antes de su implementación. Esto es crucial cuando se pretende compensar los costos adicionales a través de mejores resultados de producción. El siguiente ejemplo del especialista en conectores H&B Electronic demuestra las capacidades de simulación en el desarrollo de un sistema de refrigeración conformal optimizado para una carcasa de conector (véase la Figura 1).
Figura 1: Conector de plástico con pines y sockets sobremoldeados (fuente: H&B Electronic)
¿A dónde va el calor en el molde?
En el moldeo por inyección de plástico, la masa fundida se inyecta en un molde de inyección de acero relativamente frío (por ejemplo, a unos 90 °C) con una temperatura específica del material (para nylon PA 66, por ejemplo, aproximadamente 290 °C). Durante el proceso de inyección, el plástico fundido comienza a transferir calor al molde de inyección tan pronto como entra en contacto con la pared del molde. Este proceso continúa hasta que la masa fundida se solidifica en un cuerpo sólido y se puede quitar del molde. El molde de inyección debe disipar el calor que recibe. Esto generalmente se hace a través de canales de enfriamiento, es decir, canales en el molde a través de los cuales fluye un líquido refrigerante.
El flujo de calor dentro del molde de inyección de plástico está influenciado por dos efectos.
En primer lugar, la cantidad de calor a disipar depende de la geometría de la pieza moldeada. Las áreas de paredes delgadas del componente requieren menos extracción de calor que las áreas de paredes gruesas, conocidas como puntos calientes.
En segundo lugar, los canales de enfriamiento taladrados no se pueden colocar en el molde de tal manera que garanticen una disipación de calor uniforme en todas las áreas de la cavidad.
En consecuencia, en los moldes refrigerados convencionalmente, se produce una distribución de temperatura no homogénea (Figura 2, izquierda). Las áreas rojas del inserto de molde representado tienen una temperatura de más de 150 °C, mientras que las áreas azules están a aproximadamente 100 °C. Por lo tanto, hay una diferencia de temperatura de alrededor de 50 °C dentro del área de conformación en un cierto momento.
Figura 2: Distribución de la temperatura de un inserto de molde durante la fase de enfriamiento. Refrigeración convencional a la izquierda, refrigeración conformada a la derecha.
La distribución actual de la temperatura indica que hay áreas locales dentro del componente que se enfrían a diferentes velocidades. Los esfuerzos internos resultantes dentro del componente conducen a la deformación después del desmoldeo. Además, un comportamiento de enfriamiento desigual también prolonga el tiempo de ciclo.
La mejora es posible mediante simulación
Por lo tanto, el objetivo al diseñar el control de temperatura del molde es minimizar las diferencias de temperatura dentro del molde, especialmente en la cavidad, y garantizar una disipación de calor homogénea. Mediante la simulación, los puntos calientes se pueden identificar con precisión (véase la Figura 3).
Figura 3: Zonas activas en el componente de plástico
Si se conocen los puntos críticos del componente, el diseño de los canales en el molde se puede adaptar específicamente a ellos. H&B Electronic confía en la impresión 3D de metal para realizar canales cercanos de contorno seleccionables casi libremente, de los que hablaremos más adelante.
La Figura 4 muestra este diseño de un canal de enfriamiento conformado, tal como se implementó en el molde en serie. Se muestra el resultado del número de Reynolds. Como recordatorio: flujo turbulento, si es superior a 2,300, esto es deseable para el enfriamiento; Flujo laminar, si es menor, es bueno para el transporte de fluidos. Para estar seguros, H&B ha establecido el valor límite en 10,000.
Figura 4: Los números de Reynolds >10.000. Las áreas transparentes son los flujos laminares o la fase de transición.
El cálculo del caudal en SIGMASOFT Virtual Molding se realiza considerando, entre otros, los siguientes parámetros influyentes:
- Viscosidad del fluido refrigerante
- Caudal volumétrico definido en l/min y
- Progresión geométrica y rugosidad superficial de los canales de templado
Diseño del flujo mediante simulación CAE
Los requisitos generales para un sistema de control de temperatura consisten en una buena disipación de calor con la menor pérdida de presión posible dentro del canal y una distribución homogénea de la temperatura resultante en el componente a un flujo dado.
Además del número de Reynolds, el requerimiento de presión del canal de control de temperatura es un criterio de calidad importante (Figura 5). A pesar de que el requerimiento de presión no alcanza un valor crítico en este ejemplo, tales simulaciones ofrecen una ayuda valiosa en la selección del dispositivo de control de temperatura y la evaluación de viabilidad. Por último, pero no menos importante, un requerimiento de baja presión también significa una mejora en el consumo de energía del sistema de templado.
Se logró una reducción en el requerimiento de presión a través de tres circuitos de iteración mediante la implementación de las siguientes medidas:
- Aumento del diámetro en las zonas de entrada y salida
- Aumento del diámetro de todo el canal de refrigeració
- Reducir o hacer "más suaves" las curvas en el canal
Durante la optimización, la pérdida de presión se redujo de 4.5 bar inicial a 1.8 bar (ver Figura 5).
Figura 5: Requerimiento de presión de entrada a salida (azul a rojo) aprox. 1.8 bar
Las imágenes no muestran una tubería, sino canales dentro de un bloque de acero o herramental. En la computadora, esto parece una solución perfecta, pero en términos de tecnología de producción, la impresión 3D se utiliza aquí debido a su viabilidad (Figura 6).
Figura 6: Sección a través de un canal de enfriamiento conformado: esto solo se puede producir con un equipo de fabricación aditiva de metal (fuente: H&B Electronic)
Fabricación aditiva práctica en manufactura de moldes
La fabricación aditiva de metal solía limitarse al acero de endurecimiento al horno 1.2709. Este material tiende a no usarse para insertos de moldes en la producción convencional debido a sus desventajas en términos de propiedades térmicas (por ejemplo, dureza en caliente) y resistencia a la corrosión. El acero para moldes de trabajo en caliente 1.2343 es uno de los materiales más populares para muchos fabricantes de herramientas y moldes, cuando se trata de la producción de insertos de moldes para inyección de plástico. Permite el procesamiento confiable de plásticos técnicos en grandes cantidades para producir conectores con diseños complejos.
H&B es uno de los pocos proveedores de servicios capaz de fabricar de forma confiable componentes a partir de este acero para herramientas con alto contenido de carbono mediante el proceso de fusión por láser (LPBF). En cuanto a las propiedades del material, como la resistencia y la dureza, los componentes por fabricación aditiva alcanzan valores comparables a los de los componentes fabricados convencionalmente.
¿Qué pasa después?
Con la ayuda del control de temperatura conformal, fue posible lograr una disipación de calor más homogénea y rápida (Figura 1, derecha). La simulación con SIGMASOFT Virtual Molding permitió calcular las ventajas del concepto de refrigeración para esta y otras herramientas similares hasta tal punto que H&B decidió comprar el equipo de fabricación aditiva de metales la TruPrint 5000 de TRUMPF.
Esto también está disponible para los proyectos de los clientes junto con la experiencia interna en el diseño de insertos de moldes a través de la simulación. La producción de componentes híbridos, impresos en estructuras de acero fabricadas convencionalmente, es tan posible como la producción de componentes más grandes (hasta 270 mm de diámetro y 300 mm de altura). La producción de estas estructuras impresas en 3D no es barata, pero generalmente se amortiza en la producción en serie gracias a la reducción de los tiempos de ciclo y a la mejora de la calidad. Gracias a SIGMASOFT Virtual Molding, los costos asociados y los beneficios de sostenibilidad se pueden cuantificar de antemano.
Información sobre el proceso de fusión por láser
En el proceso de fusión por láser (LPBF), el polvo metálico se funde capa por capa utilizando un rayo láser. Además, la energía térmica aplicada localmente hace que las áreas inmediatamente adyacentes que ya se han producido se derritan nuevamente. El baño de fusión parcial resultante garantiza una microestructura homogénea y de grano fino similar a la del acero para herramientas de trabajo en caliente 1.2343 (H11) producido convencionalmente por refundición por electroescoria (electroslag remelting ESR). H&B Electronic imprime exclusivamente con 1.2343 (H11) y un precalentamiento de la base de impresión de 500 °C. Esto reduce la tendencia a las microfisuras y, en última instancia, permite pulir los componentes impresos.
Autores:
Jan Bayerbach, Director R&D, /H&B/ Electronic GmbH & Co. KG, Siemensstraße 8, 75392 Deckenpfronn,
Katharina Doetz, Directora de Marketing, SIGMA Engineering GmbH, Kackertstraße 16-18, 52072 Aquisgrán,
Publicada originalmente en alemán en la revista Plastverarbeiter, con autorización para 3DCadPortal por SigmaSoft
