"Aplicación de la tecnologías poliméricas de fabricación aditiva al desarrollo de moldes y utillajes para series prototipos"

Transcripción

1 "Aplicación de la tecnologías poliméricas de fabricación aditiva al desarrollo de moldes y utillajes para series prototipos" Donostia-San Sebastian, 23 de Noviembre de 2016

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3 Datos relevantes ,9 M Ubicación Parque Científico-Tecnológico en Zamudio, Bizkaia Especialización Plásticos y Composites Biotecnología Medio Ambiente y Reciclado

4 GAIKER-IK4: Combinación Fabricación Aditiva con Tecnologías de Transformación de Polímeros Qué ofrecemos a la industria Somos especialistas el desarrollo y caracterización de materiales poliméricos para impresión 3D, en el diseño e impresión de modelos, utillajes, prototipos y piezas finales. Combinamos tecnologías de FA y las tecnologías de moldeo de plásticos y composites (Inyección, Compresión, Termoformado, Rotomoldeo, Filament Winding, Pultrusión, RTM, Infusión, Moldeo a Baja Presión, Curado por Microondas). GAIKER-IK4 cuenta con una planta piloto para el desarrollo, impresión y caracterización de materiales de fabricación a aditiva de la que forman parte los siguientes elementos: Laboratorio de formulación y caracterización reológica. Línea de fabricación de compounds y filamentos de impresión 3D de 1,75 y 2,85 mm de diámetro. Impresoras de extrusión de filamento: Dimension Plus, Tumaker vx2, Prusas I3. Colaboramos en el desarrollo de nuevos extrusores para impresión 3D (granza, pastas). Laboratorio de aplicación de recubrimientos decorativos y funcionales. (Acabado de superficies). Laboratorio de caracterización físico, mecánica, térmica, microscopia.

5 Tecnología Poliméricas de FA desde el desarrollo de materiales, caracterización, procesos de impresión (FDM) hasta la aplicación

6 Aplicación de la tecnologías poliméricas de fabricación aditiva al desarrollo de moldes y utillajes para series prototipos

7 Moldes prototipo en impresión 3D. Oportunidad para la empresa. Del prototipo conceptual a pieza funcional en material final Algo de historia Las tecnologías de fabricación aditiva aplicadas a herramientas y moldes (tooling) está entre un TRL > 8 en función del sector del sector de aplicación. Fallo de las tecnologías de rapid tooling (años 90) en aplicaciones de moldes (ej, moldes de inyección). Necesidad de pasar de prototipo conceptual a prototipo funcional. En los últimos años se están desarrollado nuevos conceptos (moldes e insertos híbridos, combinación de tecnologías rapid tooling convencionales y fabricación aditiva, ): Mayores ventajas: (abaratamiento de costes, reutilización de insertos, ). Factores principales para el resurgimiento Desarrollo de nuevos materiales. Madurez de las tecnologías. Liberación de patentes. La generación de un tejido industrial en torno a estas tecnologías. La mejora de las tecnologías de FA en aspectos como el acabado superficial. La reducción en los costes operativos de los procesos aditivos. La generación de comunidades que han trabajado en el desarrollo de código abierto y su integración y conexión a través de plataformas (

8 Moldes prototipo en impresión 3D. Oportunidad para la empresa. Principal interés. Nicho de mercado Demandas de la industria Producción de prototipos y series cortas en material final. Abaratar costes de inversión en etapas de desarrollo (Hay sector donde esta etapa supone un alto coste en precio final de producto. Ejemplo: sector salud). Acelerar nuevos lanzamiento al mercado. Demanda de Re-styling. Evaluación de pruebas funcionales de distintos elementos utilizando proceso real de fabricación. Abaratar costes de desarrollo, evaluando problemas de procesado. Fase del proceso Oportunidades Reducción Time to market. Reducción de costes de material y rediseño. Procesos de interés en el sector plástico. Termoformado Soplado Moldeo a la cera perdida INYECCIÓN y Moldeo de COMPOSITES

9 Principales tecnologías de FA. Tecnologías poliméricas. Aplicación en utillaje FFF LS SLA Inkjet (Polyjet Stratasys) Fuente Figuras:

10 Necesidad Qué Tecnología utilizar? Prototipo Funcional Pieza final Modelo/ prototipo de concepto Mono-Bimaterial Grado de detalle de la pieza Material a emplear Tipo de acabado superficial Bajo- Medio Medio Alto APLICACIONES DE MOLDES Aspero Polímero Metal Suave Material a emplear Metal, Cerámico, Yeso Papel Extrusión (FDM/FFF) Extrusión (FDM / FFF) Sinterizado laser (SLS) Inyección de fotopolímero de curado UV Esterolitogafía (SLA) Sinterizado laser (SLS) Extrusión (FDM) laser/haz de electrones (SLM/DSLM/EBM) Esterolitografía (SLA) inyección de aglutinantes Laminación Mono-Multimaterial Multicolor Inyección de fotopolímero de curado UV Inyección de fotopolímero de curado UV / inyección de aglutinantes-yeso/ laminación papel

11 Casos Práctico de comparación de tecnologías en un útil de inyección Proyecto Europeo ANGELAB A New GEnetic LABoratory for non-invasive prenatal diagnosis (Contract no. FP7-ICT ) Objetivo de la actividad de FA: Comparar nuevos desarrollos en tecnologías de FA y materiales en la construcción de moldes prototipo para inyección de chips de microfluídica en un material alternativo (PP) Elementos sujetos a valoración Acabado de pieza conseguible (rugosidad, ángulo de contacto afectan a la funcionalidad). Nivel de replicación de geometrías comunes en piezas de canales, cámaras de mezcla hexagonales, agujeros, tetones de dimensiones < 1mm, combinación con insertos metálicos. Estudio de la inyección con material: PP grado médico sin uso de desmoldeante. Duración del molde según condiciones de inyección y estado de las piezas inyectadas. Evaluación de coste/ tiempo de fabricación. Estrategia planeada: Elaborar y evaluar pastillas /insertos compatibles con molde cajetín metálico (GAIKER-IK4). Tecnologías evaluadas SLA (2 materiales) Injet (polyjet, ABS digital) SL (2 materiales) DLP (resina acrílica para moldeo).

12 Estrategia del estudio

13 Resultado obtenidos fase 1: Cámara hexagonal Construcción canal tetones 2 insertos de SL Con compuestos (PA) 2 insertos en 2 Grados de Epoxi alternativos Evaluación inyección a baja presión de moldeo y alto tiempo de compactación de 20 piezas SLA-EP1 Pieza 1 Pieza 20 Molde de PA no resiste 20 pieza intactas Mejor replicabilidad en canales y hexágono en SLA epoxi 1 Solo se replica tetón en SLA-EP1, pero no copia bien en proceso inyección. Tetones metálicos Descarte de Tecnología de SL

14 Etapas 2: Diseño combinado con insertos metálicos 3D Inclusión de agujeros pasantes de 0.6;0.8;1.1 mm) para inclusión de insertos metálicos. Tecnologías de construcción: SLA (EP1 y 2), Polyjet (ABS2)y DLP (B9). Se ha utilizado tecnología de postcurado en Polyjet. Evaluación de insertos antes de proceso de inyección Material( Agujeros pasantes Hexágonos (mm) Acabado/Rugosidad (µm) SLA -EP1 1.1/0.75(conic)/ (altura) SLA EP2 1.1 (elipt)/0.8 (conic)/ (altura) 5-11 Injet- ABS 1.1/ inferiores no uniformes (tacky) 4DLP No pasantes,no circulares SLA EP1 SLA EP2 Polyjet DLP

15 Etapas 2: Valoración proceso de inyección Condiciones de inyección: 200ºC/Material PP grado médico Parámetros estudio: Presión de compactación, Tiempo de enfriamiento, Desmoldeo Tipo de inserto Nº piezas Ranking de desmoldeo Observaciones SLA-EP1 SLA-EP2 POLYJET- ABS DLP > 40 piezas. Empieza a fallar con incremento presión de compactación > 50b (90b) >30 piezas. Resistencia similar al EP1, salvo en canales extremo 10 (condiciones de molde iniciales) <5 piezas el molde empieza a desintegrase alrededor de los bordes de las zonas hexagonales 2 Acabado brillante de pieza transparente. Tiempo de compactación óptimo para evitar alabeos y rechupe en pieza 3 Acabado mate de pieza es más mate que la EP1. Buena replicación 1 Fallo en zona alrededor de inserto metálico. Pieza copia efecto superfina del inserto. Buena replicación salvo en agujeros 4 El material del molde no resiste la temperatura de moldeo

16 Principales conclusiones: El nivel de detalle que exigen las aplicaciones de microfluídica y el acabado superficial hace que las tecnologías de FA y materiales valoradas, estén en el límite aceptable para la construcción de de moldes prototipo de inyección. (Aplicación muy exigente a nivel de detalle, pero ofrece posibilidades para trabajar diseños y materiales alternativos durante la fase de desarrollo). TECNOLOGIA SLA. De todas las tecnologías ensayadas, la combinación de SLA-EP1, es la que mayor valoración ofrece en (construcción de detalles, durabilidad de molde, acabado superficial menos rugoso y brillante. En el caso de la SLA-EP2 tiene buena reproducibilidad en agujeros hasta 0.75 mm, falla con respecto a la combinación anterior en desmoldeo y rugosidad. La tecnología SLA, muestra defectos de construcción en transición de figura hexagonal y canales. TECNOLOGIA INJET Tecnología muy valorada en cuanto a su comportamiento a desmoldeo con PP. Material seleccionado buena rugosidad pero acabado tacky (mejora con el postcurado). No válida para construcción de agujeros pasantes (recomienda realizarlos después de la construcción). TECNOLOGIA DLP El nivel de detalle en construcción es inferior al resto de las tecnologías. (Pieza muy voluminosa). La resistencia del material no es la más adecuada para inyección. PROCESO Mantener ciclos de trabajo largos y minimizar presión de retención al mínimo. Condiciones de Trabajo más bajas que en producción. Lo cual hace que el aumento de temperatura cada 15 pieza < 5 ºC.

17 Otros ejemplos :Proyecto Etorgai 2015 FAMOLD Desarrollar compuestos poliméricos para impresión 3D de moldes de inyección. Desarrollar compuestos poliméricos para la impresión de modelos para el proceso de fundición a la cera perdida. Definir tratamientos de acabado de los productos imprimidos para mejorar su acabado superficial y resistencia térmica, y al desgaste. Desarrollar tecnología de fabricación aditiva para la impresión de moldes y modelos para los procesos de inyección y fundición.

18 Otros ejemplos: Proyecto Etorgai 2015 Preforge

19 Otros ejemplos: Proyecto ELKARTEK 2015 ACTIMAT

20 Tendencias a futuro de las Tecnologías de FA poliméricas Un claro enfoque a la construcción de piezas finales funcionales. Liderados por nuevos desarrollo de tecnologías asequibles, materiales y acabados (nuevas resinas, nanotecnologías), monitorización de procesos, formación, etc. El desarrollo en conjunto de materiales funcionales, procesos y software y diseño, mejorará la validación, repetitividad y funcionalidad de los productos a desarrollar. Desarrollo del diseño y simulación de materiales para modelizar las propiedades finales del producto en función de las estrategias de construcción. Construcción de piezas multimaterial o con gradiente de propiedades según zonas. En 5 años*: Cambios en el modelo de negocio de muchas empresas. Incrementan su valor añadido El país con más introducción es Alemania (37%) y se lo plantean un 12% adicional La industria del plástico e ingeniería mecánica (automoción, aeronáutica). Producción de bajo volumen rentable. *Fuente: Ernst& Young How will 3D printing make your company the strongest link in the value chain?

21 Mª José Suárez