Stampa 3D di uno strumento per lo stampaggio a iniezione di metalli con vicino

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La cattedra di Microfluidica dell'Università di Rostock sta lavorando insieme a Stenzel MIM Technik (Tiefenbronn vicino a Pforzheim) su un progetto per stampare uno strumento 3D per lo stampaggio a iniezione di metalli (MIM). La base dello sviluppo è l'utilizzo della tecnologia CEM di Aim 3D con un sistema Ex-AM 255.

Nell’ambito di un progetto finanziato dal Ministero federale tedesco per gli affari economici e l’energia (BMWi), uno strumento MIM stampato in 3D è sviluppato congiuntamente dalla Cattedra di Microfluidica (LFM) dell’Università di Rostock e Stenzel MIM Technik. La durata del progetto va da aprile 2021 a ottobre 2023. La base per il processo e l'applicazione è l'uso della tecnologia CEM di AIM3D, implementata su un sistema Ex-AM 255. Il progetto rappresenta l’attuale stato dell’arte nella stampa 3D dei metalli.

L’obiettivo del progetto era utilizzare la stampa 3D per produrre uno strumento per lo stampaggio a iniezione di metalli con raffreddamento vicino al contorno. Nella stampa 3D, il raffreddamento quasi contorno può essere incorporato come cosiddetta integrazione funzionale con canali elicoidali direttamente nello strumento. In altre parole, non sono incorporati come ingressi, come nel caso degli strumenti più grandi. L'obiettivo di qualsiasi raffreddamento quasi contorno di stampi a iniezione realizzati in metalli o polimeri è ridurre significativamente il tempo di ciclo. Il principio del raffreddamento vicino al contorno consiste nel guidare i fluidi refrigeranti attraverso canali di raffreddamento vicino al contorno con sezioni trasversali ridotte. Raffreddano il componente già durante il ciclo. Ciò porta ad un processo di sformatura più veloce, che accorcia notevolmente il ciclo. La complessa geometria dei canali di raffreddamento elicoidali viene creata con l'ausilio della tecnologia CAD utilizzando modelli di simulazione basati sulle esigenze del componente. L'esperienza pluriennale mostra una riduzione del tempo di ciclo di circa il 20%, a seconda dello spessore e delle dimensioni della parete.

Come soluzione di componenti integrati, la stampa 3D offre il vantaggio di una tecnica one-shot come integrazione funzionale rispetto ai processi legati a stampo. L'esempio applicativo dimostra quindi l'opportunità di ridurre drasticamente il time-to-market. Lo scopo del progetto di cooperazione è sviluppare una nuova catena di processi per la produzione rapida ed economicamente vantaggiosa di strumenti MIM. Fino ad ora erano necessari tempi fino a otto settimane per produrre uno stampo per iniezione di metallo convenzionale. Con la stampa 3D in metallo, il tempo di fornitura di uno strumento MIM può essere ridotto a circa cinque giorni.

Nell’ambito della collaborazione è stato inizialmente sviluppato un modello 3D ottimizzato dell’utensile utilizzando strumenti CAD e di simulazione. Questi dati sono stati poi trasferiti al sistema Ex-AM 255 CEM, insieme ai parametri di processo necessari. Una cosiddetta parte verde viene quindi stampata in 3D. Successivamente, la parte viene sinterizzata in un processo a più fasi per produrre le proprietà finali del materiale. Con questo processo è possibile produrre rapidamente componenti metallici complessi dopo le necessarie fasi di deceraggio e sinterizzazione. Allo stesso tempo, il processo CEM consente il controllo del ritiro volumetrico associato alla sinterizzazione. Lo stampo risultante ha una cavità. Il componente è costituito da una parte a pareti spesse con alette sottili. Queste alette non possono essere prodotte senza il raffreddamento vicino al contorno, poiché sono difficili da sformare. Stenzel MIM Technik spera di ottenere una significativa riduzione del tempo ciclo per questo componente fino al 70-80%. Tuttavia, le prove di stampaggio a iniezione per i test sono ancora in sospeso.

La stampante 3D multimateriale Ex-AM 255 può essere utilizzata con una varietà di materiali diversi (metalli, plastica, ceramica) e con vari processi (componenti ibridi). Rispetto ai processi a letto di polvere o anche ad altri processi di stampa 3D che utilizzano filamenti, i sistemi che utilizzano il processo CEM raggiungono resistenze alla trazione che si avvicinano al classico stampaggio a iniezione termoplastico legato allo stampo. Il vantaggio in termini di prezzo della stampa 3D è particolarmente evidente quando al posto dei filamenti vengono utilizzati i granulati disponibili in commercio. Quando si utilizzano i granulati, il processo CEM porta a un risparmio sui costi fino a un fattore dieci.