Insertos de molde impressos em 3D versus aço ferramenta H13 forjado

Os engenheiros de moldes que decidem como construir um inserto para molde de injeção estão, na verdade, escolhendo entre duas lógicas de fabricação diferentes. O aço forjado H13 tem sido o padrão da indústria para moldagem de alta durabilidade e longa produção por décadas, valorizado por sua resistência ao desgaste, tenacidade e resistência à fadiga térmica. A impressão 3D, seja por sinterização a laser de metal ou por processos de polímero, oferece uma liberdade de design que o aço forjado não consegue igualar, principalmente em relação aos canais de resfriamento conformes que acompanham o formato da cavidade em vez de serem retos. A escolha certa depende da geometria da peça, dos requisitos de resfriamento, das expectativas de acabamento superficial e, acima de tudo, da quantidade de peças que o molde precisa produzir ao longo de sua vida útil.

Desempenho de resfriamento e tempo de ciclo

A eficiência de resfriamento geralmente é o fator mais importante no custo por peça em grandes volumes, pois o tempo de ciclo é determinado pela velocidade com que o calor pode ser removido da cavidade. Os insertos de H13 forjados são usinados a partir de um tarugo sólido, portanto, as linhas de resfriamento só podem ser perfuradas em linhas retas. Em peças com geometria tridimensional complexa, isso cria zonas de resfriamento irregulares e pontos quentes que tornam o ciclo mais lento e aumentam o risco de marcas de afundamento e empenamento. Os fabricantes de moldes costumam compensar isso adicionando insertos de liga de cobre nos pontos quentes. No entanto, o cobre não possui a mesma resistência ao desgaste do H13, e a interface de junção adicional se torna um ponto de manutenção em uma longa produção.

Os insertos metálicos impressos em 3D, geralmente produzidos por sinterização direta a laser de metal (DMLS), resolvem esse problema estruturalmente, em vez de recorrer a soluções alternativas. Canais de resfriamento podem ser construídos para seguir diretamente o contorno da cavidade, o que elimina pontos quentes, uniformiza o gradiente térmico na peça e pode reduzir substancialmente o tempo de resfriamento e a deformação em componentes geometricamente complexos. Os insertos impressos em polímero estão no extremo oposto do espectro. Sua condutividade térmica é muito baixa e os ciclos de resfriamento podem durar bem mais de 100 segundos em espessuras de parede típicas, estendendo-se ainda mais em seções mais espessas. Essa alta produtividade inviabiliza o uso de insertos de polímero para qualquer aplicação além de protótipos de curta duração.

Qualidade e polimento da superfície

O acabamento superficial determina tanto a estética da peça quanto a facilidade com que uma peça moldada se desprende da cavidade, sem grudar ou rasgar. O aço H13 forjado, particularmente as classes refundidas por eletroescória, possui uma microestrutura limpa e homogênea que permite um polimento espelhado confiável. É por isso que ESR H13 Continua sendo a escolha padrão para lentes automotivas, carcaças de eletrônicos de consumo de alto brilho e outras peças onde a aparência da superfície faz parte da especificação.

As inserções metálicas impressas não saem da máquina com uma superfície aceitável. As peças fabricadas por DMLS apresentam microporosidade e rugosidade provenientes do processo de construção em camadas, de modo que atingir a tolerância dimensional e o acabamento estético de nível de produção exige usinagem CNC secundária, retificação ou polimento manual, o que aumenta o tempo de produção e o custo de um processo cujo principal argumento de venda era a velocidade. Mesmo após esse trabalho de acabamento, o material DMLS não atinge a densidade microestrutural do aço forjado e refundido por eletroescória. Em moldes que necessitam de acabamento espelhado SPI A1, como lentes de iluminação automotiva ou componentes ópticos, as superfícies das inserções metálicas impressas tendem a revelar microporosidade residual no final da sequência de polimento, depois que a maior parte do custo de acabamento já foi investida. É aqui que o ESR H13 não tem um substituto real. As inserções impressas em polímero têm seus próprios problemas de replicação, com desvios de forma que se acumulam ao longo dos ciclos repetidos de liberação da peça.

Durabilidade mecânica, dureza e vida útil

Um inserto precisa suportar repetidas pressões de fixação e injeção, frequentemente na faixa de 4.000 a 12.000 psi, sem ceder, trincar ou desgastar na linha de partição. O aço forjado H13 é um aço para trabalho a quente 5% à base de cromo, ligado com vanádio e molibdênio. O vanádio forma uma rede fina e uniformemente dispersa de carbonetos duros que confere ao aço alta resistência ao desgaste e à abrasão. endurecimento e revenimento duplo, O aço forjado H13 atinge uma dureza homogênea no núcleo na faixa de 48 a 56 HRC, e mantém tenacidade e resistência ao trincamento térmico ao longo de milhões de ciclos.

DMLS é um processo de fabricação, não um material, e os pós usados para insertos de moldes são frequentemente o próprio H13 ou aços maraging, como o 1.2709. Após o tratamento térmico adequado e, idealmente, prensagem isostática a quente (HIP) para eliminar a porosidade interna, os insertos de DMLS podem atingir uma dureza na faixa de 50 a 54 HRC e suportar centenas de milhares de ciclos, às vezes ultrapassando um milhão com resinas resistentes à abrasão. O problema é que alcançar esse desempenho exige toda a cadeia de pós-processamento. As peças de DMLS, como fabricadas, apresentam tensões residuais, anisotropia microestrutural e porosidade interna provenientes do processo de construção em camadas, e a omissão da HIP ou do tratamento térmico para reduzir custos deixa esses defeitos no local, o que explica a menor vida útil e os problemas de trincas que conferem aos insertos de DMLS uma má reputação. Adicionar HIP (Impressão por Pressão Alta), tratamento térmico e usinagem secundária ao custo da impressão significa que um inserto DMLS (Sinterização Seletiva a Laser Direta) com acabamento adequado pode acabar custando várias vezes mais do que usinar a mesma geometria em H13 forjado, sem igualar a resistência ao desgaste do H13 forjado contra resinas reforçadas com fibra de vidro. Insertos impressos em polímero têm resistência mecânica muito baixa em comparação e normalmente suportam apenas algumas dezenas a algumas centenas de injeções sob pressão normal antes de racharem ou sofrerem deformações.

Adequação do método ao volume de produção

Para protótipos e lotes piloto de 100 a 1.000 peças, os insertos de polímero impressos em 3D são a escolha prática. Um molde funcional pode ser construído em dias, às vezes em horas, a uma fração do custo de usinagem do aço, o que faz sentido quando o objetivo é validar um projeto em vez de iniciar a produção. Na faixa intermediária, aproximadamente de 10.000 a 100.000 peças, aços-ferramenta pré-endurecidos ou usinados, como o P20 ou o H13 não endurecido, são a base comum, e a usinagem de alta velocidade em aço forjado pode reduzir o tempo de eletroerosão e acabamento manual que costumava ser padrão nesse nível de produção.

Acima de 100.000 peças, e chegando a milhões, o aço forjado temperado H13 é a escolha óbvia para a maioria dos fabricantes, e o custo é um fator tão importante quanto a vida útil. O pó metálico, o tempo de usinagem e as etapas de prensagem isostática a quente (HIP) e pós-usinagem necessárias para adequar uma pastilha DMLS às especificações de produção somam um custo várias vezes maior do que usinar a mesma pastilha a partir de um tarugo forjado, e essa diferença só aumenta com o crescimento do volume. A alta temperabilidade do aço forjado H13 também evita o desgaste ou a formação de rebarbas nas linhas de junção ao longo da vida útil da ferramenta, o que evita o tempo de inatividade e os custos de manutenção associados a um molde que se degrada durante a produção.

Comparação resumida

A escolha entre essas abordagens depende da posição do projeto na curva de volume e de quanto a peça depende do acabamento superficial e do custo total das ferramentas. A DMLS reduziu a diferença de vida útil que antes a diferenciava do aço forjado, mas atingir essa vida útil significa pagar por tratamento térmico e HIP além da própria impressão, e mesmo assim o acabamento não consegue igualar o de um aço forjado ESR no nível de polimento espelhado. Para moldes com previsão de produção em seis ou sete dígitos, ou para qualquer peça que exija qualidade de superfície de grau óptico, o aço forjado H13, especialmente os graus ESR, continua sendo o material que mantém a tolerância, o acabamento e o custo total por peça ao longo da vida útil da ferramenta.