Desde la creación del moldeado por inyección industrial, el mantenimiento de una temperatura uniforme en la superficie del molde ha supuesto un desafío constante.

En su intento de mantener una temperatura uniforme, los fabricantes han utilizado deflectores, burbujeadores y tubos de calor, han laminado bloques juntos y han incorporado complejos taladrados a sus moldes.

Durante la última década, el enfriamiento de conformación (diseño de canales de refrigeración que siguen naturalmente los contornos de la pieza que se producirá) se ha posicionado como solución para controlar las temperaturas del moldeado por inyección. Pero el enfriamiento de conformación añade nuevas capas de complejidad de producción y diseño al proceso de elaboración de moldes, lo que lo pone fuera del alcance de la mayoría de establecimientos.
 

"Metodología robusta"

Bastech, un proveedor de Ohio de soluciones completas para talleres, servicios de fabricación acumulativa y ventas de equipos, se ha enfrentado a problemas de temperatura, pero cree que ha encontrado una forma de introducir un nuevo nivel de sencillez, eficacia y economía al enfriamiento de conformación. A la investigación de la empresa ha contribuido su estatus de socio dorado autorizado de 3D Systems, lo que le otorga acceso a las últimas informaciones y tecnologías de impresión 3D.

Las innovaciones de Bastech, documentadas en dos pruebas de valores de referencia recientes, se basan en el software de fabricación de moldes Cimatron™ y en el sistema de impresión directa en metal (DMP) de ProX® 200 de 3D Systems. Las simulaciones de los diseños de moldes de enfriamiento de conformación se realizan con el software Moldex3D (un socio de 3D Systems) y los moldes de DMP completos se inspeccionan mediante el software Geomagic® Control de 3D Systems.

El proceso representa una solución de fabricación completa con integración sencilla entre los mundos físico y digital con la tecnología de los productos de 3D Systems.

"La combinación de un poderoso software que aprovecha todas las capacidades de la impresión 3D con impresoras que proporcionan unas piezas metálicas densas con superficies suaves y posprocesamiento limitado proporciona una metodología sólida para crear moldes de enfriamiento personalizados", afirma el director ejecutivo de Bastech, Ben Staub.
 

Análisis y diseño de automatización

El primer patrón de referencia de Bastech comparó dos piezas muy similares en términos de volumen, tamaño y configuración de diseño. Uno se diseñó con un núcleo de conformación e impresión 3D. El otro, con una configuración estándar de deflector en espiral y se fabricó con medios convencionales.

El diseño de enfriamiento de conformación se ha creado con el software experto de CAD/CAM Cimatron que cubre todo el ciclo de fabricación de moldes, desde la creación de presupuestos al diseño, la aplicación de cambios de ingeniería y la programación del control numérico y la electroerosión. La última versión de Cimatron incluye capacidades de análisis y diseño de refrigeración compatibles con canales de enfriamiento taladrados de forma tradicional y canales de enfriamiento de conformación mediante tecnologías de impresión 3D.

Mediante una integración con Moldex3D, los diseñadores de moldes de inyección que trabajan en Cimatron tienen la capacidad de realizar análisis automáticos de rellenado de moldes para optimizar el diseño de los canales de refrigeración.

"La combinación de Cimatron y Moldex ofrece un software experto para ayudar a los ingenieros con menos experiencia a crear diseños de mayor calidad", dice Staub. "Esto es importante debido a que la demanda de fabricantes de herramientas con experiencia es muy superior a la menguante oferta".

"El diseño para la impresión 3D requiere una comprensión del diseño del soporte estructural para obtener un diseño basado en los requisitos, así como para reducir el tiempo de impresión y los costos de material", añade Scott Young, gerente de ingeniería de Bastech. "Este tipo de experiencia se integra en el software Cimatron, lo que permite a nuestros diseñadores pensar en el diseño sin necesidad de preocuparse de navegar por un paquete de CAD para definir canales internos complejos".
 

Grandes ahorros de ciclo y tiempo

El diseño de Bastech para el primer patrón de referencia fue una hélice afilada que se colocaba en la parte interior de un cono de espaciado que se utiliza para ensamblajes industriales. Los canales de enfriamiento de conformación se crearon mediante la rotación de una configuración de gota, por lo que un lado quedaba paralelo a la superficie exterior del núcleo y mantenía una distancia constante del mismo. Al pasar la sección transversal por la hélice afilada, Bastech pudo diseñar una geometría que ProX 200 podría imprimir de una tirada.

El diseño del molde impreso en 3D tardó dos días y se creó en la impresora ProX 200 en tres días. Para maximizar la productividad, Bastech combinó la tirada de impresión 3D del molde con piezas necesarias para otros proyectos de la empresa.

ProX 200 es una alternativa rentable a los procesos tradicionales de fabricación y ofrece menor cantidad de residuos, mayor velocidad de producción, plazos cortos de configuración, piezas metálicas muy densas y la capacidad de producir ensamblajes complejos como piezas individuales. 

"Es una herramienta que mejora las capacidades de moldeado", dice Staub. "Nos proporciona un mecanizado más rápido y resuelve los problemas de cuellos de botella en el taller. También podemos ahorrar entre 30 y 40 horas por molde mediante la eliminación de electroerosión y taladrado y la reducción drástica de CNC y pulido".

Para el núcleo helicoidal de flujo inverso, el diseño y análisis del software Cimatron, combinado con la impresión 3D de la ProX 200, permitieron ahorrar más de 40 horas de programación y tiempo en el taller. Teniendo en cuenta todos los costos, el núcleo impreso en 3D proporcionó un ahorro neto de 1765 USD (18 %) frente a los métodos convencionales, según Young.

Lo más importante es que el molde de enfriamiento de conformación mantuvo una baja temperatura en toda la tirada y redujo el tiempo del ciclo en un 22 %.

"El tiempo del ciclo es prácticamente lo más importante del moldeado por inyección, con la capacidad de controlar la temperatura de forma uniforme", dice Staub.

"Si la temperatura es uniforme moldearemos piezas de calidad uniforme", dice Young. "La eliminación del combado debido a la variación de la temperatura y la reducción de los plazos representan una enorme ganancia de rendimiento".

Resultados del patrón de referencia: con deflector frente a núcleo con conformación

Ahorros más allá del núcleo

En un segundo patrón de referencia, Bastech pasó del núcleo con conformación a diseñar un conjunto completo de núcleo, cavidad y molde deslizante para la impresión 3D. En este caso, el objetivo era mantener la misma temperatura de 38 ºC (110 ºF) entre los diseños convencional y de conformación para comprobar cómo afectaría a los resultados de refrigeración y tiempo del ciclo.

Una vez más, se registraron ahorros de tiempo significativos para la programación, maquinado y pulido. La EDM se eliminó por completo en el diseño de enfriamiento de conformación. La automatización del software Cimatron redujo el tiempo de diseño de 30 horas a solo siete para el molde de enfriamiento de conformación. Los ahorros totales de costos del molde impreso en 3D ascendieron a los 2505 USD, lo que supone un 16 % de ahorros.

El tiempo de refrigeración se redujo de 10,5 segundos del molde convencional a 7,5 segundos del molde de conformación y todos los plazos importantes se redujeron en un 14 %.

"Aunque la temperatura permaneció invariable en los diseños convencional y de enfriamiento de conformación, el diseño de conformación forzó más líquido a través de un área de superficie mayor, por lo que fue más eficaz a la hora de refrigerar el molde", dice Young.

Resultados del patrón de referencia: convencional frente a núcleo con conformación

Efecto del resultado final 

"La búsqueda de unas mejores técnicas de refrigeración se realiza desde hace mucho tiempo", dice Young. "Ahora disponemos del software para ayudar a los fabricantes de moldes a tomar decisiones más ponderadas sobre cómo configurar las cavidades, núcleos e insertos y después convertirlos en realidad con la impresión 3D directa en metal".

"Con la refrigeración tradicional para el moldeado por inyección no hay situaciones perfectas", dice Staub, "Solo se pueden taladrar orificios en ciertos lugares y no se pueden crear orificios alrededor de canales como con el enfriamiento de conformación diseñado para la impresión 3D. Ahora no tenemos que sacrificar nada en los diseños de enfriamiento de conformación".

Bastech adquirió el sistema DMP ProX 200 mediante una beca del estado de Ohio y el Research Institute de la Universidad de Dayton, por lo que parte de la misión de la empresa es compartir los resultados con la comunidad industrial. Staub espera que los esfuerzos de creación de patrones de referencia de Bastech mostrarán a los talleres de todos los tamaños que existen soluciones sólidas integrales disponibles para obtener el enfriamiento de conformación.

"Muchos fabricantes deberán adoptar estas tecnologías 3D para mejorar sus talleres", dice. "Queremos compartir nuestros éxitos para que otros talleres vean que se puede hacer y de forma que influya de forma importante en el resultado final".