Guía de diseño de utillaje rápido para inyección de plástico

Transcripción

1 Actividad perteneciente al proyecto PLAST-INNOVA IMPLANTACIÓN DE TECNOLOGÍAS INNOVADORAS DE FABRICACIÓN RÁPIDA DE MODELOS, MOLDES Y PRODUCTOS PARA EL SECTOR DEL PLÁSTICO Con la participación de:

2 ÍNDICE 1 INTRODUCCIÓN 2 SLS METAL. SINTERIZADO SELECTIVO LÁSER DE METAL DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EJEMPLOS REPRESENTATIVOS REQUISITOS DE DISEÑO DMLS. SINTERIZADO DIRECTO DE METAL POR LÁSER DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EJEMPLOS REPRESENTATIVOS REQUISITOS DE DISEÑO LASER CUSING. FUSIÓN DE POLVO METÁLICO DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EJEMPLOS REPRESENTATIVOS REQUISITOS DE DISEÑO ESTEREOLITOGRAFÍA DE RESINA CON CARGA CERÁMICA. SLA+ CARGA CERÁMICA DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EJEMPLOS REPRESENTATIVOS REQUISITOS DE DISEÑO SINTERIZADO SELECTIVO LÁSER DE POLIAMIDA CON CARGA DE ALUMINIO. SLS PA+AL DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EJEMPLOS REPRESENTATIVOS REQUISITOS DE DISEÑO COLADA EN VACÍO DE RESINA CON CARGA DE ALUMINIO. EP DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EJEMPLOS REPRESENTATIVOS REQUISITOS DE DISEÑO Página 2 de 38

3 1 Introducción En este documento se ha querido plasmar las peculiaridades que se ha de tener en cuenta para la fabricación rápida de utillaje para. Las principales tecnologías directas para la fabricación rápida de utillaje son: - SLS Metal. Sinterizado selectivo láser de metal - DMLS. Sinterizado directo de metal por láser - Laser Cusing. Fusión de polvo metálico por láser. Existen otras técnicas que se encuentran en investigación y que tambien se incluyen en este documento: - Estereolitografía utilizando resina con carga cerámica. SLA+ carga ceràmica - Sinterizado selectivo láser de poliamida con carga de aluminio. SLS PA+AL - Colada en vacío de resina con carga de aluminio. EP 310. Página 3 de 38

4 2 SLS Metal. Sinterizado selectivo láser de metal 2.1 Descripción del proceso La SLS es una técnica que fabrica las piezas por capas. Cuando ha terminado una superficie entera, el rodillo añade una nueva capa de material y procede a sinterizar la siguiente seccion. En el caso metálico la sinterización se hace en un segundo proceso en horno. Más información: Ejemplos representativos Aplicación: Molde Persiana para Inyección Plástico Material: ST-200 (Acero con Bronce) Fuente: AIJU Página 4 de 38

5 Aplicación: Electrodo TOY para Electroerosión Material: A6 (Acero con Cobre) Fuente: AIJU 2.3 Requisitos de diseño Consideraciones generales en el diseño de utillaje Para facilitar la rapidez en la elaboración del molde y su rápido ajuste en máquina y posterior inyección es recomendable evitar el diseño con contrasalidas en las piezas y pensar en favorecer el desmoldeo sin necesidad de correderas. Página 5 de 38

6 Se recomienda no construir paredes totalmente verticales en las zonas perpendiculares a la cama o plano de partición, y al menos aplicar un 1 o 2 % de desnivel (a favor del desmoldeo) en dichas caras Fabricación del utillaje Para la correcta fabricación del utillaje hay que tener en cuenta las siguientes recomendaciones: Colocación de las tabs: Es importante tener en cuenta la colocación de las tabs con respecto a la geometría y el tamaño de la pieza. Tenga en cuenta estas directrices mientras esté diseñando las piezas y antes del montaje de las mismas: El(los) poste(s) que conecta(n) las tabs a la pieza tienen que cortarse después de la infiltración. Tenga en consideración cómo se eliminarán los postes cuando diseñe las piezas o las tabs. La(s) lengüeta(s) no deben colocarse cerca de partes delicadas puesto que la alúmina de soporte se desprenderá de estas partes una vez que la pieza absorba el infiltrante. Cuando cargue el infiltrante en la lengüeta, colóquelo cerca del borde trasero de la misma. Para las piezas altas se recomienda colocar tabs a diferentes alturas y de la forma más uniforme posible por toda la geometría de la pieza. Para obtener una infiltración óptima se recomienda colocar tantas tabs alrededor de la geometría de la pieza como sea factible. Cuantas más tabs haya más uniforme será la infiltración a través de la geometría de la pieza. Para producir insertos de herramientas, colocar más tabs reducirá la desviación de la superficie superior y se producirán insertos más planos. Advertencia: Si el infiltrante se coloca demasiado cerca de la pieza, o bajo partes salientes, el vacío que se crea en el polvo de alúmina cuando el infiltrante se reduce y se infiltra en la pieza provocará que el polvo de alúmina se desprenda de la pieza y la deje expuesta, y podría causar que la pieza se desmorone, se resquebraje o se deforme. Manejo de la pieza verde A las piezas construidas en el sistema SLS pero que todavía no han sido procesadas en el ciclo de horno se les llama piezas verdes. A la hora de diseñar una pieza que será construida por medio del proceso SLS, tenga en cuenta como se manejará la pieza durante los pasos de salida y de sinterizado e infiltración. Las piezas verdes deben considerarse algo frágiles antes del ciclo de horno, y por tanto deben diseñarse para que sean fuertes y manejarse con cuidado para evitar posibles daños en las mismas. Orientación de las piezas Orientar las piezas bien minimizará la deformación y maximizará la precisión satisfactoriamente. Oriente las piezas de la manera, en la dirección, y con la ubicación en la base que más concuerden con el montaje de piezas según el factor de escala. Tome nota también de orientaciones alternativas y de posiciones que dan como resultado superficies o partes malas, salientes grandes, zonas sin apoyo o cambios drásticos en la geometría o en el corte transversal. Tenga en consideración la colocación de las tabs y los salientes cuando añada tabs a la pieza durante la preparación del montaje. Las superficies orientadas hacia arriba se producen más planas y tienen un acabado superficial mejor. Para las piezas que tienen salientes, cuando se prefiera mantener la superficie orientada hacia arriba tal cual, utilice apoyos, que después deberán quitarse. En general, es preferible evitar salientes cuando sea posible. Otra alternativa es dar la vuelta a la pieza para evitar las condiciones que producen salientes. Tenga en cuenta cómo se contraerá la pieza durante el ciclo de horno y oriéntela pensando en esa contracción. Límite mayor del tamaño de montaje Página 6 de 38

7 Puesto que todas las piezas de LaserForm A6 tienen que procesarse a través de un ciclo de horno, el tamaño máximo de la pieza no puede exceder el volumen máximo que quepa en el horno ni exceder el volumen máximo que pueda procesarse adecuadamente durante el ciclo de horno. Volumen máximo de la pieza Pieza de dimensiones 240 x 240 x 100 mm debido a limitaciones del crisol en el horno Peso máximo de la pieza Una masa de la pieza verde y de la placa de soporte de 22 kg aproximadamente se considera la máxima carga del horno que debe procesarse en un ciclo de horno de 24 horas. Para piezas entre 22 y 27 kg utilice un ciclo de 36 horas. Tamaño mínimo de las piezas Las piezas positivas y negativas están limitadas a las capacidades de la máquina. Sin embargo, prácticamente todas las piezas de 0,75 mm de tamaño o menores deberían ser posibles, aunque dependiendo de la geometría. Piezas que se encuentran sin apoyo: dimensiones Grosor mínimo de 2 mm Proporción de ancho por altura 1:4 Eyector de abertura pequeña Puesto que su tamaño y colocación plantea dificultades, no utilice eyectores de abertura pequeña. Añádalos durante la post-transformación. Bebederos y entradas Se pueden añadir a los archivos o bien se pueden poner después como un proceso secundario. Coloque los bebederos en una entrada si se trata de una entrada del borde. Deje estas partes más pequeñas de lo normal (material máximo) para que se puedan ajustar a las condiciones de moldeo. Las sub-entradas deben ponerse en un proceso secundario. Canales de enfriamiento conformados La mejor opción es incorporar canales de enfriamiento conformados en los datos de CAD y los insertos que se construyen con estos canales. De manera alternativa, tradicionalmente los canales de enfriamiento implementadas se pueden añadir mecánicamente después de que los insertos estén finalizados. Si se añaden a los archivos, asegúrese de que los canales de enfriamiento tienen un diámetro lo suficientemente largo, y reduzca las curvas y los ángulos cerrados para minimizar la posibilidad de que el canal se atasque de polvo, el cual puede ser difícil de eliminar en geometrías duras. Además, asegúrese de que los canales de enfriamiento no se encuentran muy cerca (menos de 3,2 mm o 0,125 ) de una superficie de una pared exterior, con el fin de minimizar la posibilidad de que aire a una presión excesiva dañe el inserto al quitar de un soplo la pared. Para conseguir la máxima flexibilidad asegúrese de que es posible eliminar completamente el polvo de los canales cuando salga la pieza. Por ejemplo, añadir un agujero de limpieza en cada curva cerrada permite una eliminación del polvo más completa. Los canales de enfriamiento (o de calentamiento) conformados se añaden al modelo de CAD y así se construyen automáticamente junto con la pieza. Nota: El grosor mínimo de las paredes contiguas a los canales de enfriamiento no debe ser menor de 3,2 mm Añadir material a un inserto Página 7 de 38

8 Los tipos de adiciones de material que se pueden incorporar dependen en gran medida de la geometría concreta en cuestión, y de la comprensión de las tolerancias fundamentales de esa geometría específica. Es una práctica común añadir material a la línea de separación y a las paredes exteriores de los insertos, para luego trabajar con máquinas la línea de separación y/o cuadrar el inserto con máquinas. Filamentos Añada material para producir filamentos, los cuales deben conectarse durante la posttransformación. Pulido Añada de 0,07 mm a 0,013 mm de material en las zonas que vayan a pulirse. Pulimentado de superficies fundamentales Para pulimentar las zonas fundamentales del utillaje como las placas de separación y los cierres añada en ellas 0,23 mm de material adicional. Cuadratura Para cuadrar los insertos añádales 0,75 mmde material en los lados y la parte inferior. Partes salientes Si la pieza tiene partes salientes, añada postes de apoyo para evitar que estas partes se muevan, se comben o se rompan. Otra posibilidad es reorientar la pieza para evitar salientes. Consulte el apartado anterior sobre partes salientes incluido en esta sección acerca del diseño de piezas. Añadir soportes Añada soportes en el software de CAD o cuando prepare el montaje. Los soportes se utilizan como sostenes en la base de la pieza para evitar que las piezas puedan moverse durante el proceso de SLS. Los soportes deben tener cuatro capas de grosor, se deben colocar directamente debajo del plano inferior de la pieza (y tocándolo). El grosor de 0,30 mm de los soportes hace que sean frágiles y fáciles de retirar de la pieza. Para los soportes utilice dimensiones de superficie de al menos 100 mm2. Haga las modificaciones necesarias para evitar el contacto con otras superficies de la pieza Preparación del utillaje Se pueden emplear varios métodos de post-transformación para acabar los insertos creados con el material de acero LaserForm A6. Como mínimo se requieren dos operaciones básicas: la limpieza con chorro de granalla y la extracción de las tabs de infiltración. Nota: La mayor parte de la composición de este material es de acero de herramientas A6, y como tal, se oxida cuando se expone a la humedad. El óxido de la superficie se puede evitar utilizando cualquiera de las sustancias protectantes que se encuentran a la venta, como pueden ser Tool- Saber, WD-40 o la vaselina. Limpieza con chorro de granalla Cuando los insertos de material de acero LaserForm A6 se sacan del horno de sinterizado, en general están cubiertos de una capa de óxido negra de 0,05 a 0,10 mm de grosor aproximadamente dependiendo del volumen del inserto o la pieza. La limpieza con chorro de granalla eliminará esta capa de óxido y dejará ver un suave acabado metálico y plateado. Siga las directrices que aparecen a continuación para limpiar con chorro de granalla las piezas de material LaserForm A6: Página 8 de 38

9 Utilice una máquina de chorro de vidrio con un chorro recomendado de 70 a 140 grit y aire a presión a 6,89 bar (100 psi). Advertencia: No utilice materiales abrasivos como pueda ser la alúmina. Para conseguir el mejor acabado superficial utilice materiales de limpieza nuevos. Mantenga la pieza a 15 cm aproximadamente (6 aprox.) de la boquilla mientras la esté limpiando. Extracción de las tabs La mayoría de veces las tabs se extraen mediante el equipo siguiente: Sierra de cinta para cortar metal (8 dientes por pulgada como mínimo) Chorro de agua, cortado con láser, pulverización, o tratamiento con máquinas (fresa de espiga o fresa perfilada simple) La lengüeta debe extraerse completamente desde el punto de contacto con la superficie de la pieza o el inserto. Puede que se requiera o se desee realizar un fresado, pulverización o pulido para alisar el punto de contacto entre la lengüeta de infiltración y la pieza o inserto. Tratamiento con calor Durante la prueba inicial de tratamiento de calor las piezas de material de acero LaserForm A6 alcanzan una dureza de hasta 39 HRC. Para obtener recomendaciones sobre el tratamiento con calor hasta que se publiquen los procedimientos del mismo contacte con la Línea de Atención al Cliente de 3D Systems. Opciones de tratamiento con máquinas Las directrices que aparecen a continuación para realizar las mejores prácticas se recomiendan a la hora de considerar cualquier post-transformación adicional de los insertos o piezas de material LaserForm A6. En general, las piezas fabricadas con material de acero LaserForm A6 se trabajan con máquinas de la misma forma que el acero de herramientas P-20 y deben tratarse de la misma manera que éste. Nota: Utilice tanto refrigerante como sea posible cuando trate con máquinas el material LaserForm A6. Fresado frontal Normalmente las cavidades de las herramientas creadas con material LaserForm A6 se fresan frontalmente con insertos de carburo que vayan del nivel C1 al C4. Para evitar esquirlas utilice insertos afilados con un ángulo de incidencia de extremo de 20º. Nota: Durante el fresado debe utilizarse refrigerante para mantener el material frío y alargar la vida de la herramienta. DESCRIPCIÓN CONDICIÓN VALOR Velocidad 18,29 m (60 pies)/min Avance 0,025mm(0,001 )/diente Profundidad del corte Desbaste 0,508 mm (0,020 ) Acabado 0,0254 mm (0,001 ) Material del inserto Desbaste C2 Acabado C3 Geometría de la herramienta Modelo del inserto SPG Ángulo de incidencia de extremo del inserto 20º Grosor del inserto 3,175 mm (1/8 ) Radio de esquina del inserto 0,03125 mm (1/32 ) Página 9 de 38

10 Torneado Normalmente los insertos de herramientas creados con material de acero LaserForm A6 se tornean con fresas de una sola punta. DESCRIPCIÓN VALOR Profundidad del corte 6,25 mm (0,25 ) o menos Velocidad en pies por minuto 50 Avance en milímetros por revolución 75 mm (0,070 ) Material de la herramienta Carburo de tungsteno C3 Ángulo de ataque lateral 6º, 5º, 0º, 5º Fresado radial Al igual que sucede con el fresado frontal, para el fresado radial se recomienda el carburo. Se requieren fresas radiales con el ángulo de la hélice pequeño (30º) y el ángulo de rebaje lateral grande. DESCRIPCIÓN VALOR Velocidad 5 8 m (15-60 pies)/min Avance 0,0254 mm (0,001 )/revolución Fresa de 12,7 mm (1/2 ) Profundidad del corte 0,254 mm (0,010 ) Material de la herramienta Carburo de tungsteno Ángulo de rebaje lateral 12º - 15º Ángulo de la hélice 30º Pulido Superficial Se puede pulir la superficie de los insertos creados con material de acero LaserForm A6 utilizando muelas abrasivas de óxido de aluminio. Se puede obtener una superficie de calidad en las líneas de separación utilizando una muela de 60 grit con un avance en descenso de 0,0127 mm (0,0005 ) por pasada. Consejo: se cargue. Utilizar fluido refrigerante puede ayudar a mantener la pieza fría y evitar que la muela DESCRIPCIÓN CONDICIÓN VALOR Velocidad de la muela m/min ( pies/min) Velocidad de la mesa 4,57 6,09 m/min (15 20 pies/min) Velocidad en avance Desbaste 0,0381 mm (0,0015 ) por pasada Acabado 0,0127 mm (0,0005 ) por pasada Avance transversal 1,58 mm (0,0615 ) por pasada Muela propuesta A60JV Taladrado Para obtener los mejores resultados en el taladrado, utilice herramientas de carburo de tungsteno, cobalto, o con punta de diamante. Se recomienda que el ángulo en la punta sea de Página 10 de 38

11 entre 118º y 135º. Para realizar agujeros menores de 1,5875 mm (0,0625 ) se recomienda cortar mediante electroerosión. Los índices de velocidad que aparecen a continuación son propuestas. En algunos casos unas velocidades más lentas proporcionarán mejores resultados. Consejo: Utilizar fluido de corte y de roscadura puede alargar la vida del taladro y del macho de roscar. Para realizar agujeros con una profundidad mayor a 6,0 mm (0,25 ) aplicar refrigerante reducirá al mínimo el riesgo de que los agujeros sean más pequeños de lo normal y de que las herramientas se desgasten de forma prematura. DESCRIPCIÓN Velocidad Avance. Refrigerante agua Ángulo de incidencia en la punta 15 20º Ángulo en la punta º VALOR 4,572 m/min (15 pies/min) 0,0254 mm (0,001 )/revolución, taladro de 6,35 mm (1/4 ) Aceite soluble en Pulido El acabado superficial de las piezas de material LaserForm A6 después de la limpieza con chorro de granalla variará entre 3 µm y 15 µm Ra, dependiendo de la orientación de la superficie. La superficie superior de las piezas tendrá el mejor acabado superficial con un valor típico de alrededor de 15 µm. Normalmente las pareces laterales, tanto las verticales como las inclinadas, tendrán una aspereza máxima de alrededor de 15 µm. Al preparar los modelos de CAD para el proceso del material de acero LaserForm A6, tenga en cuenta que durante el pulido se eliminarán de 0,075 a 0,13 mm (0,003 a 0,005 ). Se puede añadir pulido al sistema SLS fácilmente utilizando la disminución del grosor. Además del pulido, el cromado de superficies es otra opción. Nota: No es necesario añadir pulido extra al archivo.stl. Normalmente empiece puliendo con papel de lija (de 220 a 320 grit, en rollo o disco). A continuación aplique de 45 a 30 m de pasta adiamantada, y después redúzcala a una cantidad de 6 a 2 m. Cualquiera de lo que aparece seguidamente se puede utilizar con la pasta adiamantada: o Almohadillas o trapos de pelo de caballo duros o blandos. o Ultrasónica o Fieltro o Tela El brillo y el aspecto final se puede conseguir utilizando pasta para pulir Simichrome y bolas de algodón. En general las piezas construidas con el material de acero LaserForm A6 se pulen como el acero. Cualquier método para pulir acero funciona. Página 11 de 38

12 3 DMLS. Sinterizado directo de metal por láser 3.1 Descripción del proceso Proceso aditivo en el que por láser se van sinterizando (cercano al punto de fusión dependiendo del material) finas capas de metal en polvo. Se va añadiendo capa por capa de abajo hacia arriba. Más información: Ejemplos representativos Aplicación: Molde para producción de pieza de ABS Material: DirectSteel 20 Fuente: F.Ascamm 3.3 Requisitos de diseño Geometrías El proceso de fabricación mediante DMLS crea piezas a partir de un fichero CAD, por adición de material en polvo, fusionando algunas de sus partículas. Esto significa, que por las condiciones en las que el proceso de DMLS es utilizado y por su dependencia con la geometría que se desea construir, hay que prestar especial atención al diseño adecuado de la geometría, como tendría que ser para cualquier método de fabricación. No existe una norma o condición sobre cual se especifique el fabricación más adecuado (fresado, electroerosión, DMLS) a utilizar. Por razonamiento básico, una pieza que puede ser fresada con el mínimo esfuerzo, por lo general, debería ser fresada. Página 12 de 38

13 Normalmente, sólo tiene sentido utilizar el sinterizado con láser en aquellos casos en los que la electroerosión, el fresado de cinco ejes o el mecanizado de piezas que precisan de múltiples estacadas, serían los métodos más requeridos económicamente hablando. Antes de tomar una decisión sobre cual sería la solución más económica para fabricar un molde, debería hacerse una estimación de los tiempos de producción empleados en distintos procesos. Hay que prestar especial atención al hecho de que con DMLS, sólo habrá que construir las geometrías relevantes y que los volúmenes superfluos, a ser posible, deberían ser evitados. Un ejemplo de geometría apropiada se muestra en la Figura_1. Figura_1 Ejemplos geometrías fabricadas con DMLS Esto es especialmente relevante en el caso de postizos para moldes ya que, como en todo proceso de generación por capas, la geometría de la pieza no es lo que determina el tiempo de fabricación y el coste. El factor determinante, es el volumen de construcción (total de volumen a sinterizar) y la altura de la pieza (número de capas). Los postizos deberían, ser en la medida de lo posible, reducidos tanto en el plano X e Y como en Z para asegurar un proceso de fabricación lo más corto posible con el consiguiente ahorro económico. En el postizo mostrado en la figura_2 se aprecia como optimizar tiempo si solamente se construye la parte de cavidad que realmente es necesaria. Así mismo, es también preferible redondear las esquinas para evitar grietas. Figura_2 Optimización de geometría a construir Para la parte de la cavidad, en la mayoría de los casos, una pared de 10 mm que rodee la figura es más que suficiente. Por otra parte, construir una subestructura demasiado voluminosa en la parte del punzón nos acarreará un extremado consumo de tiempo. Lo lógico en este caso sería fabricar solamente el nervio complejo mediante DMLS y insertarlo en una subestructura fabricada de forma paralela con un procedimiento convencional. Página 13 de 38

14 En la Figura_3 se puede observar un ejemplo de fabricación de postizos. Figura_3 Ejemplo de postizo fabricado en DMLS Toda pieza procesada mediante DMLS se fabrica encima de una plataforma de acero. Al generar piezas directas (Direct Part), dicha plataforma se separa de la pieza para ser reutilizada. En lo que se refiere a la creación de postizos (Direct Tool), hay que tener en consideración la inclusión de la plataforma de construcción (por lo normal de 22 o 36 mm) como parte del mismo. La parte sinterizada se construye directamente sobre dicha plataforma para luego eliminar la zona sobrante mediante fresado de contorno o corte por hilo. Esto se puede observar en la Figura_4. Figura_4 Detalle inclusión de plataforma de fabricación en inserto. Así mismo, la altura final del postizo se ajustará a medida mediante un planeado en la parte inferior de la plataforma. Este procedimiento, al usar un plato más sólido, ofrece la ventaja de disponer de una mejor fijación en el porta moldes y, al formar parte de la pieza final, ahorraremos tiempo de fabricación Agujeros Todos los agujeros destinados al paso de expulsores, tornillos para fijación o de características similares, deben ser considerados en el diseño del CAD. Las piezas se dividen en las zonas llamadas Piel, Piel Interna y Núcleo. Éstas se exponen a diferentes parámetros de construcción durante el proceso de fabricación y hasta pueden ser construidas con distintos espesores de capa. El grosor de la piel es de 1 mm. Y está expuesto a parámetros de construcción que producen la máxima densidad y dureza en la pieza. El núcleo, en cambio, está expuesto de forma más rápida. Página 14 de 38

15 Con estas estrategias se consigue optimizar de forma considerable el tiempo de fabricación sin perder calidad superficial a la vez que mantenemos una alta estabilidad de pieza. Por esta razón, si los agujeros no han sido considerados en el CAD y se añaden a posteriori, éstos estarán localizados en la zona menos mecánicamente estable, el núcleo. La consecuencia inmediata serán posibles roturas. Por ello, es recomendable diseñar los agujeros con una medida de 0.6 mm por debajo de su medida nominal, para luego ser escariados.(ver croquis inferior) Estrategia en contorno 2 Piel 3 Núc Espesor = 1mm Diámetro construido Diámetro deseado 4 De la misma forma, los límites externos de cada capa se exponen a una estrategia de contorno a partir de una gran potencia de láser, obteniendo una zona de gran estabilidad. Esta área de mayor estabilidad, de hecho, se concentra a 0.5 mm por debajo de la superficie. Es cuando postprocesamos la pieza hasta dicha profundidad que encontramos las condiciones de mejor acabado superficial y dureza Precisión geométrica Al fabricar piezas a partir de material en polvo, la rugosidad de la superficie y la precisión geométrica de las capas, dependerán del tamaño del grano de dicho polvo. La precisión alcanzable para los materiales disponibles será de +/- 50 m. La resolución en dirección vertical (perpendicular a las capas), vendrá determinada por el espesor de las mismas. Para los materiales anteriormente mencionados será de 20, 40 o 60 m Grosores mínimos alcanzables En el proceso de DMLS, la punta del haz del láser de 0.5 mm, equivale a la herramienta para fabricar la geometría. La anchura sinterizada, será sensiblemente superior a la del diámetro de la punta debido a los efectos de la conductividad térmica. De la misma forma que en otros procesos, las estructuras inferiores al tamaño de la herramienta no pueden ser fabricados. Aunque en DMLS la medida de la herramienta definirá la mínima medida externa de la figura a construir (grosor de pared) y no la interna (ancho de ranura). Página 15 de 38

16 Si en la geometría a sinterizar aparecen estructuras iguales o inferiores a 0.5 mm éstas no se construirán de forma correcta. Este aspecto hay que tenerlo especialmente en cuenta a la hora de diseñar cantos vivos y filos Ranuras Si hay ranuras en la geometría, hay que tener en consideración que, debido a la rugosidad de los planos verticales, será necesario un post procesado y habrá que adaptar un ángulo de desmoldeo. En ranuras accesibles para limar y pulir, un ángulo de 0.5º a 1º será suficiente. Si no fueran accesibles, este valor debe ser aumentado. Si por razones geométricas las dos opciones anteriores no pudieran ser o posibles el postizo, en el la zona de la ranura, debería ser separado, los planos tratados para luego volverlo a unir Clavijas Para geometrías cilíndricas es recomendable insertar clavijas, fabricadas con un procedimiento convencional, en agujeros previamente diseñados para así asegurarnos que tendrán una precisión y fuerza más elevadas con el mínimo esfuerzo por nuestra parte. Un ejemplo de ello se puede observar en la Figura_5. Figura_5 Detalle de clavijas en postizo Ramales Para evitar erosionar el ramal de inyección con el uso de plásticos abrasivos, éste también debe ser preparado en el diseño CAD. La exposición en contorno incrementará la dureza de la superficie hecho que nos conducirá a alcanzar una mejora en el funcionamiento del molde.(figura_6). Página 16 de 38

17 Figura_6 Detalle de ramales en postizo Canales de refrigeración Con el uso de las técnicas de fabricación por capas es posible crear canales de refrigeración tridimensionales en el interior del postizo, curvos, adaptados a la geometría de inyección del molde. Es lo que se conoce como Conformal Cooling. Este sistema nos permite una mayor efectividad en la refrigeración durante la inyección del material. Estos canales pueden ser dirigidos hacia al plataforma de construcción. Terminado el sinterizado la plataforma es taladrada coincidiendo con los orificios de entrada y salida de refrigeración para luego eliminar el metal en polvo sobrante en el interior. Finalmente, los canales pueden ser sellados con resina Epoxy.(Figuras_7,8 y9) Figura_7 Figura_8 Figura_ Excesos operacionales Cuando vayamos a fijar lo postizos en el porta moldes los cantos, por norma, serán fresados. Un sobre espesor de 0.1 a 0.5 mm debería ser añadido en cada área relevante. Generalmente, no es necesario ni recomendable realizar un post mecanizado en la superficie de la pieza. Éstos, normalmente, serán procesados a posteriori mediante micro granallado y si fuera necesario con un ligero toque de lima y un pulido. El sobre espesor de la superficie se añade directamente en el fichero de trabajo del sistema de fabricación. Página 17 de 38

18 Check list Para diseño de moldes mediante DMLS 1 Geometría de la pieza Se dispone de la estructura íntegra? Son las dimensiones exteriores lo más pequeñas posible? Espesor de la pared de la cavidad: 10 mm Radios de las esquinas de los insertos de 10 ó 20 mm Se va a usar la plataforma como parte del molde? 2 Agujeros Están los agujeros de la pieza previstos en el CAD de la pieza? Agujeros para expulsores Agujeros de colada y ramales Agujeros roscados diseñados como agujeros simples (1 mm por debajo del deseado) Diámetros de los agujeros a taladrar (0.6 mm mas pequeños que el diámetro deseado) 3 Grosores mínimos alcanzables Se pueden evitar cantos vivos? Son las estructuras inferiores a 0.6 mm? 4 Regatas Hay ángulos de desmoldeo para regatas profundas? Son accesibles las regatas para pulir y rectificar? Hay que desmontar el postizo? 5 Nervios Se pueden insertar los nervios de acero? Están los alojamientos previstos? 6 Pivotes y tetones Los pivotes cilíndricos deben de ser insertar. Se pueden usar pivotes y tetones no cilíndricos como insertos? 7 Mazarota Se dispone del diseño en el fichero CAD? 8 Circuitos de refrigeración Se pueden usar circuitos de refrigeración de forma libre? Están lo suficientemente cerca de pieza? Se puede reducir el tiempo de construcción al mínimo? Página 18 de 38

19 4 Laser Cusing. Fusión de polvo metálico 4.1 Descripción del proceso Consiste en fundir polvo metálico de un solo componente capa a capa por la acción de un láser hasta conseguir una densidad del 100%. Más información : Ejemplos representativos Aplicación: Inserto con canal de refrigeración conformado Material: CL 50 WS Fuente: Concept Laser 4.3 Requisitos de diseño Consideraciones generales Página 19 de 38

20 Dimensiones: - La dimensión de construcción en la máquina es de 300x350x250mm. Así, en función de la topología del molde, condicionaríamos la estrategia de diseño del molde. - Postizos de molde de dimensiones inferiores a las descritas: su construcción podría realizarse sin ningún problema en un solo proceso de construcción, obteniendo una pieza íntegra unitaria. - Postizos de molde de dimensiones superiores a las descritas: su construcción no puede hacerse en un único proceso de construcción y son necesarios varios en función de la sobredimensión de la pieza por encima de las dimensiones de construcción de máquina. De esta forma se debe prever en el molde que este inserto debe estar dividido en varias partes y por lo tanto incluir sus sistemas de unión, etc Es especialmente crítica esta situación cuando el dividir el inserto en partes supone cortar el sistema de refrigeración del mismo, debiendo preverse e incluir circuitos independientes para cada una de las partes evitando la colocación de juntas de estanqueidad, etc - Figura macho construida directamente sobre la placa de molde. En este caso, la pieza que condiciona el tamaño de construcción sería la placa sobre la que se va a realizar la construcción. Debemos tener en cuenta que la placa debe contener la zona de figura (zona a construir), el cierre y las guías. Así, la zona a construir deberá ser considerablemente menos que la de construcción de la máquina, quedando reducida a unos 240x290x250. Complejidad: - Los procesos tradicionales de construcción de molde son los de arranque de viruta CNC o HSM acompañados de electroerosión o corte por hilo. El proceso de lasercusing es un proceso lento. En muchos casos más lento que cualquiera de los anteriormente enumerados por separado. La ventaja de esta tecnología aparece cuando es necesario realizar una pieza que requiere de una elevada participación de las técnicas tradicionales de fabricación de forma secuencial. Por ejemplo, supongamos que se quiere realizar una pieza de molde destinada a realizar una pieza plástica con elevado número de nervios y de gran profundidad. Esta, mediante técnicas convencionales requeriría de un mecanizado CNC de la pieza a falta de los nervios, de un mecanizado HSM para la realización de electrodos que nos permitan eliminar el material de las nervaduras y posteriormente de la electroerosión de la pieza utilizando estos electrodos. Se han empleado tres procesos de fabricación con su correspondiente ocupación de máquina, operarios y tiempos de espera entre máquinas por el contrario con la lasercusing se emplearía una única máquina que libera al resto de máquinas del taller, sin operario y obteniendo una pieza final. Proceso tiempo Proceso tiempo Mecanizado 8 lasercusing 20h Mec. electrodos 10 EDM h 20h Proceso tiempo Proceso tiempo Mecanizado 8 lasercusing 24h Mec. electrodos 0 EDM 0 8 h 24h Postizo de 30x30x30 con nervios de 25mm de profundidad. Postizo de 30x30x30 sin nervios - Así a mayor complejidad de pieza mayor ventaja de lasercusing sobre técnicas convencionales. Página 20 de 38

21 Coste: - El tiempo de fabricación es coste de pieza. El coste de realizar una pieza compleja (elevado número de nervios) y una simple es muy similar con esta tecnología, puesto que está en función del volumen a construir. De hecho, construir una pieza nervada es ligeramente más barato que una sencilla. - La rentabilidad de la tecnología radica en su comparación frente a técnicas convencionales, puesto que para piezas de las mismas dimensiones pero con diferencias de complejidad, con técnicas convencionales se aprecian altas diferencias de coste, pero con lasercusing no. LASERCUSING vs CNC,HSM,EDM COSTE CNC, HSM, EDM LASERCUSING COMPLEJIDAD Tiempo de ciclo de la pieza de inyección para la que se desarrolla el molde. Materiales Diseño de molde Página 21 de 38

22 Parte macho: o Toda pieza macho de molde, se realizará o bien sobre la placa macho del portamoldes en la posición correspondiente, o sobre un inserto metálico mecanizado previamente y que una vez construido se insertará en un molde. o Expulsión: La expulsión debe estar ya diseñada en la pieza a construir (para eliminar material a construir), siempre con un diámetro inferior al definitivo puesto que será necesario realizar el escariado de los mismos para el ajuste de los expulsores. Parte cavidad: o Se realizará construyéndose sobre una placa mecanizada previamente y que se insertará posteriormente en la placa cavidad del molde. Caras horizontales: o Las superficies horizontales de la pieza deberán evitarse lo máximo posible para evitar la realización de soportes en la pieza. o Se preverán chaflanes de mín. 45º en todas las superficies planas generando un sobrematerial que deberá ser eliminado posteriormente mediante fresado o corte por hilo. Canales de refrigeración: o En la zona de construcción mediante lasercusing, el diámetro máximo de canal para evitar la colocación de soportes será de 8mm. Paredes delgadas: o El mínimo espesor de pared que podrá construirse será de 1mm por construcción. o En el molde este espesor variará en función de la posición en el molde, de si hacen cierre y de la presión a la que están sometidos en el proceso de inyección. o Si la pared va refrigerada, el mínimo espesor para introducir canales de agua será de 4.5mm siendo los canales de forma ovalada de aprox.2,2x1,5mm. Para mantener un mínimo de 1,5 mm a superficie de pieza. Entradas: o En cuerno: Se realizará un postizo independiente para la realización en pieza unitaria de las entradas en cuerno, permitiendo siempre espacio para realizar el pulido interior de las mismas. o Resto de tipologías de entradas (pin, laminar, abanico, etc..): Si se encuentran dentro de la zona a construir se realizarán directamente sobre la pieza sin ser necesario un mecanizado posterior de las mismas. Precisión: o La precisión de la tecnología es de aprox. 0.1mm. Si la pieza requiere una precisión mayor, se realizará la construcción con sobremedida para ser removida posteriormente mediante mecanizado, corte por hilo o electroerosión para darle la precisión necesaria Fabricación de molde La fabricación del molde se basa en un método generativo por adicción de material capa a capa similar al de cualquier otra técnica de sinterizado. Para construirlo, es necesario generar un fichero STL de la geometría a construir con el que generar la discretización en capas necesaria para cualquier tecnología de sinterizado. De manera similar a otras tecnologías de sinterizado metálico, la geometría siempre se construye sobre una placa base. La peculiaridad de la tecnología lasercusing permite elegir entre utilizar esta placa base meramente como soporte de la construcción o bien utilizarla como parte de la pieza Página 22 de 38

23 resultante. En el primer caso, una vez terminada la construcción la pieza construida se separa de la placa base mediante corte por hilo obteniendo la pieza final. Es particularmente interesante la segunda opción (construcción hibrida) en la que una parte del inserto se fabrica por métodos convencionales y la otra mediante lasercusing. La tecnología lasercusing, permite dividir la pieza a construir en dos partes, una parte sencilla de fabricar por métodos convencionales de arranque de viruta (base) y otra parte que incluya la parte compleja de la pieza (construcción). Esto es muy habitual en el caso de insertos para moldes o moldes completos para. Habitualmente, en este tipo de utillajes, la parte que genera la figura de la pieza a inyectar, tiene gran complejidad, mientras que gran parte del resto del inserto o placa de molde resulta relativamente sencillo de generar por métodos convencionales. En este tipo de construcciones hibridas, se utiliza la placa generada por métodos convencionales como placa base para la construcción del resto de la pieza. De esta manera, se puede disminuir el volumen de material a sinterizar abaratando la construcción. Una vez finalizada la construcción, simplemente se suelta la placa base de la plataforma de construcción de la máquina y se obtiene un inserto hibrido donde una parte esta construida en aceros y con métodos convencionales y la otra con aceros y tecnología lasercusing. Cuando se construyen insertos con canales de refrigeración, es importante extraer el polvo suelto del interior de los canales en seco, antes de introducir cualquier tipo de líquido por ellos. De otra manera el polvo tiende a amalgamarse dentro obstruyéndolos. En caso de haber necesitado soportes para la construcción de algunas geometrías de molde, cosa poco habitual en moldes para, es preciso retirarlos una vez obtenida la pieza. Para la eliminación de soportes, se utilizará cualquier método mecánico, desde herramientas de corte manuales hasta taladrado o fresado convencional si fuera necesario Acabado de molde Todas las piezas una vez construidas se someten a varios granallados sucesivos con distinto tamaño de grano, para eliminar material sobrante de la construcción y dejar la superficie rugosa final de la pieza. Macho o En la parte macho el acabado superficial no es muy importante. Por esta razón, en muchos casos el granallado puede ser suficiente para que el macho esté listo para su inyección. Si la rugosidad es muy alta se puede lijar a grano 400. Cavidad o En la parte cavidad donde el acabado debe ser bueno, tras el granallado se realizarán las tareas de pulido, pasando de grano 400 hasta 1200 y si la calidad requerida es muy alta, pasan a pulir con pasta de diamante, pudiendo obtener pulido espejo Inyección de molde La principal ventaja de los moldes fabricados con sistemas Laser Cusing radica en que se consigue un sistema cuyo comportamiento en la inyectora es similar a los moldes fabricados con técnicas convencionales. No es necesario implementar equipos auxiliares, ni utillajes adicionales para su inyección. Lejos de necesitar cualquier tipo de adaptación un utillaje o molde que incorpore insertos fabricados con lasercusing, permite utilizar los parámetros de inyección que se utilizarían en un utillaje fabricado mediante sistemas de arranque de viruta. Dichos parámetros se ven mejorados en cuanto a que la refrigeración que se puede implementar en un postizo fabricado mediante lasercusing, permite una regulación térmica del mismo en periodos de tiempo sustancialmente menores a sistemas tradicionales, beneficiando por tanto el tiempo de ciclo. Página 23 de 38

24 En cuanto a los resultados dimensionales de las piezas la optimización del sistema de refrigeración que se consigue, permite una precisión dimensional en piezas de plástico que en muchos casos no se había conseguido hasta el momento. Se mejora de forma importante en cuestiones como alabeos y deformaciones de las piezas inyectadas, ya que los circuitos que permite fabricar, están muy cerca de las refrigeraciones ideales que se pueden plantear en sistemas CAE de cálculo reológico por elementos finitos. Página 24 de 38

25 5 Estereolitografía de resina con carga cerámica. SLA+ carga cerámica 5.1 Descripción del proceso El proceso de estereolitografía consiste en solidificar capa a capa mediante la acción de un láser, resinas sensibles a la luz ultravioleta en estado líquido a partir de un fichero electrónico. Más información Ejemplos representativos Aplicación: Inserto para Material: NanoTool Fuente: AIMME 5.3 Requisitos de diseño Consideraciones generales Aunque todavía no se ha llegado a entender todas las limitaciones del uso de resinas con carga cerámica en esta aplicación, se ha aprendido lo suficiente como para establecer unas guías preliminares para la fabricación y uso de moldes hechos con este material. Por el momento los siguientes plásticos se han inyectado con éxito en moldes de resina con carga cerámica: Polietileno, PE Polipropileno, PP Santopreno Poliestireno de alto impacto ABS Policarbonato, PC Página 25 de 38

26 Se ha ganado cierta experiencia también en la inyección de Nylon cargado con fibra de vidrio y ABS, pero los resultados no están bien documentados Diseño del molde Las resinas compuestas son frágiles en cierta manera, y esto se debe tener en cuenta en el diseño del molde. Geometrías altas o detalles con paredes delgadas que funcionarían bien en acero o en aluminio podrían fallar utilizando una resina compuesta. Se recomienda que este tipo de geometrías se realicen en metal y se inserten en el molde. La precisión alcanzada con las resinas compuestas mediante estereolitografía es muy alta, por lo que se recomienda que los agujeros para los expulsores se fabriquen en el molde. Sin embargo éstos deben ser ligeramente infradimensionados para después obtener la dimensión exacta utilizando un escariador. Zonas, como entradas o bebederos, se deben realizar en acero para prevenir el desgaste debido al diseño del molde o el número de piezas previstas. Esto es especialmente importante si se inyectan plásticos con carga de vidrio. Puede que se necesiten entradas mayores que las habituales y que los insertos necesiten más respiraderos Fabricación del molde Es importante elegir la orientación correcta para la construcción del molde. Si se construyen los insertos con la parte de la cavidad hacia arriba, se minimizará el tiempo de construcción pero aumentará el tiempo de acabado. Se recomienda añadir una o dos capas a la superficie exterior si se construyen los insertos con esta orientación para que se puedan mecanizar y así asegurar un aislamiento completo y minimizar la aparición de ráfagas o flash, (manchas mate ) Para insertos con superficies curvas o líneas de partición que no sean planas, se recomienda colocar los insertos de canto. Esto incrementará el tiempo de fabricación pero disminuirá el tiempo de acabado. La elección de la orientación adecuada dependerá del tamaño de molde y de la configuración. Para utilizar máquinas de s se han de diseñar los insertos de forma que encajen en el marco del portamoldes con postizos intercambiables de acero estándar o aluminio. Los insertos han de ser ligeramente sobredimensionados para que puedan ser mecanizados y encajar perfectamente en los marcos Preparación del molde Mecanizado. Para poder utilizar insertos de resina compuesta éstos deben ser mecanizados de forma que ajusten perfectamente en el marco portamoldes de acero o aluminio. Es muy importante realizar un buen ajuste para prevenir la expansión del inserto y la aparición de grietas durante su uso. Como la resina compuesta contiene partículas de cerámica, el esmerilado es una buena técnica para conseguir cuadrar los insertos. El mecanizado se puede realizar utilizando herramientas de carburo. Las herramientas de acero estándar también funcionan pero tienen una vida más corta. Para el fresado se recomienda utilizar una fresa de 3 o 4 labios, que ha de ser utilizada a alta velocidad y avance lento para disminuir la rotura. Bajo estas condiciones es posible realizar cortes bastante profundos ( mm). Se ha de evitar el uso de lubricantes y refrigerantes. Una mezcla de líquido lavavajillas y agua funciona muy bien y permite un limpiado fácil. Las superficies externas del inserto sólo deben sobresalir de la superficie del marco mm Página 26 de 38

27 Acabado. Después de mecanizar los insertos, estos han de ser lijados y pulidos lo necesario para conseguir el acabado requerido. El papel de lija comercial funciona bien tanto de agua como seco. Se ha de eliminar todas los escalones de las capas para proporcionar una expulsión adecuada de las piezas. Para el pulido se recomienda utilizar componentes basados en agua ya que son fáciles de eliminar y no dejan residuos Inyección En general, se puede utilizar los insertos de resina compuesta con los parámetros recomendados por el fabricante de plástico. Se puede comenzar con la temperatura fusión más elevada recomendada, pero la presión y el tamaño de la inyección se debe aumentar lentamente hasta que se fabriquen las piezas completamente. Esto suele llevar unas 20 o 30 piezas. La presión de cerrado se debe ajustar al mínimo nivel requerido para disminuir las ráfagas. El tiempo de ciclo parecerá largo si se compara con el acero o el aluminio. La conductividad térmica de la resina compuesta es considerablemente más baja que la del acero o el aluminio, por lo que el calor no se puede eliminar tan fácilmente. El tiempo de ciclo estará normalmente entre 60 y 120 segundos. Depende del espesor de pared, de la resina y del tamaño y espesor de la pieza. El tiempo de ciclo se puede reducir disminuyendo la temperatura y aumentando la presión, pero esto se ha de hacer con cuidado para no dañar el molde. Se puede conseguir una reducción del tiempo de ciclo más significativa enfriando la superficie del molde entre inyectadas. Esto se puede hacer soplando aire frío sobre los insertos cuando se abre el molde. Se puede aumentar la tasa de enfriamiento utilizando un tubo de vórtice o una pistola para producir aire frío. Se puede monitorizar la temperatura de la superficie de los moldes utilizando un termómetro de infrarrojos. Una vez determinado el tiempo que el molde debe permanecer abierto para que se enfríe, se puede ajustar la máquina para trabajar en un ciclo automático. Si se necesita una lubricación adicional, agentes desmoldeantes como silicona o zinc stearate suelen funcionar. Página 27 de 38

28 6 Sinterizado selectivo láser de poliamida con carga de aluminio. SLS PA+AL 6.1 Descripción del proceso El Sinterizado Selectivo Láser es una técnica que fabrica las piezas por capas. Cuando ha terminado una superficie entera, el rodillo añade una nueva capa de material y procede a sinterizar la siguiente seccion. Más información: Ejemplos representativos Aplicación: Inserto para Material: Poliamida + 30 % Aluminio Fuente: AIJU 6.3 Requisitos de diseño Página 28 de 38

29 6.3.1 Consideraciones generales en el diseño de utillaje Para facilitar la rapidez en la elaboración del molde y su rápido ajuste en máquina y posterior inyección es recomendable evitar el diseño con contrasalidas en las piezas y pensar en favorecer el desmoldeo sin necesidad de correderas. Se recomienda no construir paredes totalmente verticales en las zonas perpendiculares a la cama o plano de partición, y al menos aplicar un 1 o 2 % de desnivel (a favor del desmoldeo) en dichas caras Fabricación del utillaje Para la correcta fabricación del utillaje hay que tener en cuenta las siguientes recomendaciones: Orientación de las piezas Orientar las piezas bien minimizará la deformación y maximizará la precisión satisfactoriamente. Oriente las piezas de la manera, en la dirección, y con la ubicación en la base que más concuerden con el montaje de piezas según el factor de escala. Tome nota también de orientaciones alternativas y de posiciones que dan como resultado superficies o partes malas, salientes grandes, zonas sin apoyo o cambios drásticos en la geometría o en el corte transversal. Las superficies orientadas hacia arriba se producen más planas y tienen un acabado superficial mejor. Para las piezas que tienen salientes, cuando se prefiera mantener la superficie orientada hacia arriba tal cual, utilice apoyos, que después deberán quitarse. En general, es preferible evitar salientes cuando sea posible. Otra alternativa es dar la vuelta a la pieza para evitar las condiciones que producen salientes. Volumen máximo de la pieza Pieza de dimensiones 350 x 310 x 380 mm debido a limitaciones de área del pistón de máquina. Tamaño mínimo de las piezas Las piezas positivas y negativas están limitadas a las capacidades de la máquina. Sin embargo, prácticamente todas las piezas de 0,75 mm de tamaño o menores deberían ser posibles, aunque dependiendo de la geometría. Espesor mínimo entre la pared del inserto y la pieza Debido a problemas de inyección, es necesario reforzar las paredes del molde con partes metalicas evitar que cedan en el momento de meter presión en la inyección. Hay que tener en cuenta un espesor minimo de pared en la zona del canal de inyección de al menos 3 cm. Piezas que se encuentran sin apoyo: dimensiones Grosor mínimo de 2 mm Proporción de ancho por altura 1:4 Eyector de abertura pequeña Puesto que su tamaño y colocación plantea dificultades, no utilice eyectores de abertura pequeña. Añádalos durante la post-transformación. Bebederos y entradas Se pueden añadir a los archivos o bien se pueden poner después como un proceso secundario. Coloque los bebederos en una entrada si se trata de una entrada del borde. Deje estas partes más pequeñas de lo normal (material máximo) para que se puedan ajustar a las condiciones de moldeo. Las sub-entradas deben ponerse en un proceso secundario. Página 29 de 38