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Canales Sectoriales
Impresión 3D - Fabricación aditiva
Uso de la tecnología SLM para mejorar el rendimiento de los moldes de inyección de piezas de plástico

Canales conformados de refrigeración: un caso de éxito

Iban González, Principal Researcher, Additive Manufacturing & 3D Printing Area, Leitat

23/05/2022
En el año 2022 hablar de la revolución de la impresión 3D ya no es una novedad. El uso de las tecnologías de impresión 3D y su valor disruptivo son una realidad, no solo en materia de investigación y prototipado, sino también en el desarrollo de aplicaciones reales y de uso práctico en la industria. Esta aplicación práctica abarca todos los ámbitos de la cadena de valor de un producto o proceso productivo, desde el desarrollo de un diseño hasta la validación final de la aplicación, pasando por las etapas de la propia producción o de posprocesado.

Del mismo modo, hace varios años que la impresión en metal domina todas las conversaciones entorno a las posibilidades que puede ofrecer como alternativa a las técnicas de producción convencionales para múltiples aplicaciones. El caso que os presentamos hoy es una buena prueba de ello.

En este breve artículo, se describe un caso concreto de éxito en el uso de la impresión 3D, y específicamente mediante el uso de la tecnología SLM (selective laser melting) para mejorar el rendimiento de herramientas de alta productividad, como son los moldes de inyección de piezas de plástico. Dicho aumento de rendimiento se manifiesta mediante la reducción del tiempo de ciclo, un parámetro crítico para esta industria.

Este caso de éxito se enmarca en el proyecto 3D Tooling, desarrollado en el marco de la comunidad Llavor3D del programa RIS3CAT.

Como punto de partida, se tomó el inserto de molde para la inyección en plástico de una cápsula de café de una conocida marca. Dicho inserto estaba compuesto por tres piezas diferentes en su versión de manufactura convencional (figura 1a). Respetando la forma y las tolerancias exteriores del conjunto, se afrontó el rediseño de dicho componente considerándolo de una sola pieza y diseñando los canales de refrigeración.

El punto fuerte de esta idea reside en que, al contrario que en los sistemas de manufactura convencionales, mediante la impresión 3D los canales de refrigeración se pueden diseñar de tal modo que proporcionen una refrigeración más homogénea y a su vez, ajustada a la necesidad de disipación de calor de cada parte. Los canales de refrigeración, nombrados canales conformados, siguen la forma de la cavidad y el núcleo, llegan a los puntos calientes y promueven la uniformidad de la temperatura en los materiales plásticos que se moldean. Y una refrigeración más homogénea redunda en una pieza inyectada de mejor calidad. En el rediseño se aplicaron criterios de DfAM (design for additive manufacturing), los cuales facilitan y optimizan la fabricación de las piezas mediante manufactura aditiva.

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Figura 1: (a) modelo inicial fabricado por manufactura convencional; (b) diseño final en una sola pieza con canales de refrigeración conformados; (c) simulación mecánica en condiciones de servicio; (d) impresión SLM; (e) pieza mecanizada y pulida; (f) inserto instalado en máquinas y en servicio; (g) control de calidad de pieza final inyectada.

De las diferentes soluciones de enfriamiento propuestas se escogió la más adecuada para la pieza en cuestión (figura 1b). Ese modelo se probó y validó en el software de simulación mecánica, en el que se introdujeron las condiciones de contorno y propiedades del material, para determinar las deformaciones que podía sufrir el inserto (figura 1c). El rediseño de los canales en función de los resultados de las simulaciones fue un proceso iterativo que terminó con un modelo 3D listo para imprimir.

Una vez materializada la pieza (figura 1d) y extraída del sustrato sobre el cual se fabrica, se realizaron operaciones de post procesado de tipo mecanizado y pulido mecánico, a fin de dotar al inserto de las geometrías y tolerancias requeridas (figura 1e). Igual que se realiza con cualquier piza metálica producida por manufactura convencional.

Finalmente, y para validar el componente, el inserto se montó en un molde y se realizaron pruebas de inyección (figura 1f); primero series cortas para realizar los ajustes necesarios y luego inyectando piezas de plástico en régimen 24/7.

El resultado final puso de manifiesto una reducción de hasta el 12% del tiempo de ciclo mediante el uso de la tecnología SLM. Una mejora muy significativa, para todo aquél que no esté familiarizado con el sector de la inyección. Y todo ello obteniendo una pieza inyectada con la calidad requerida (figura 1g).

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Figura 2. Máquina SLM marca Renisaw, modelo RenAM 500Q.

Otro de los aspectos a tener en cuenta en el marco de este proyecto fue la formulación del material utilizado: se seleccionó un acero de alta conductividad térmica HTCS (high termal conductivity steel), el cual está especialmente indicado para la conducción de calor. Cabe mencionar que los parámetros de procesado SLM se tuvieron que determinar y optimizar, empleando para ello una estrategia de diseño de experimentos. Tanto el desarrollo de parámetros como la propia fabricación del inserto, se realizó con la ayuda de una máquina SLM de 4 láseres de la marca Renishaw, la RenAM 500Q (figura 2).

Además de insertos para la inyección de plástico, la mejora descrita se puede aplicar perfectamente a la inyección de metal, matrices de estampación o cualquier otra aplicación que requiera de canales conformados de refrigeración.

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Iban González, Principal Researcher, Additive Manufacturing & 3D Printing Area, Leitat.

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