Manufacturando herramientas impresas compuestas

Si bien debemos saber que los termoplásticos con alto rendimiento, entendiéndose como materiales, estos son capaces de mostrar eficiencias y flexibilidad en el diseño.

Los compuestos avanzados como tal en la industria hoy día, surge la necesidad de manera continua dar soluciones innovadoras para las herramientas.

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Actualmente las herramientas que se manufacturan de manera convencional resultan ser de mayor peso, costo y tiempo de producción a comparación de impresión 3D. Las nuevas aplicaciones, cambios en productos, alta demanda de creación rápida de herramientas y buscar menor costo, genera el desafío de seguir innovando y ser más competitivos.

La tecnología de Impresión 3D actualmente que más se utiliza en el mundo de las herramientas es: Modelado por deposición fundida en sus siglas en inglés (FDM – Fused Deposition Modeling) y en este proceso de manufactura aditiva donde son utilizados dichos termoplásticos con alto rendimiento, se construyen objetos capa por capa, implica colocar material de modelo y material de soporte para mayor libertad de geometría y para esto se utiliza la información proporcionada por un modelo en 3D digital. Se ha demostrado que este proceso de manufactura aditiva en las herramientas y en otras aplicaciones como accesorios, resulta ser más rápido la creación y menos costoso que las tecnologías tradicionales de manufactura.

Argumentos para revisar, creer y conocer FDM, para la manufactura de herramientas compuestas

Anteriormente mencionábamos que los métodos tradicionales para la manufactura de herramientas compuestas requieren un uso donde la rigidez sea alta para los moldes o mandriles que comúnmente se hacen de materiales de metal como, por ejemplo: aluminio, acero, aleaciones, además de algunos otros materiales de metal especializados. Para ello, en este proceso la manufactura de dichas herramientas necesita mano de obra significativa y mecanizado, esto implica tener altos costos, material chatarra y tiempos de entrega largos, los cuales pueden llegar a tener una duración de semanas incluso en piezas de geometría sencillas y por ende meses para herramientas de mayor complejidad.

El uso de esta tecnología a demostrado costos más bajos, ventajas considerables como la reducción de tiempo tanto de manufactura como de entrega, además de proporcionar grande libertad de diseño y una iteración rápida con las piezas.   

A pesar de lo mencionado, no todo fue siempre bueno ya que, durante años, si bien, FDM es y fue utilizado exitosamente colocado en compuestos de bajo volumen y para aplicaciones de herramientas, aunque esta fue limitada en su momento por la cuestión de la resistencia a la temperatura, ya que no había materiales que tuvieran la propiedad de soportar temperatura de curado de 180° C.

Hoy día existen materiales como ABS – ASA, PC y resina ULTEM 9085, estos son capaces de soportar 85° C, 135° C, y 150° C y además en FDM se desarrolló otro material llamado ULTEM resina 1010, el cual puede soportar temperaturas superiores a los 180° C y fuerzas de hasta 0,7 MPa.

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Temperatura (curado) – Coeficiente de Expansión Térmica (CTE) 

Si hablamos de que la estructura compuesta necesita un curado, entonces hablamos del factor temperatura y por qué no hablaríamos de estos factores si la temperatura impacta en la selección de materiales. Como lo mostramos en el cuadro comparativo 1.1 los materiales FDM tienen la capacidad de cumplir con parámetros de temperatura de curado.

De estos materiales el ULTEM resina 1010 tiene la mayor capacidad de soportar temperaturas y el CTE más bajo, por ende, se transforma en la opción más recomendada para diversas aplicaciones.

Por otro lado, herramientas con materiales como el PC y ULTEM resina 9085 soportan, pero pasan a segundo plano por el ULTEM resina 1010.

Ahora si bien el CTE, también se considera y no deja de ser importante sobre todo para aplicaciones de herramientas de laminado compuesto. El CTE se determinó por medio de un análisis termo mecánico (TMA) con ASTM E831.

El CTE se puede utilizar para sacar ventaja sobre la compactación de capas y minimizar el mandril.

Calidad, precisión/tolerancias

FDM es capaz de imprimir en este caso herramientas con parámetro de +- 0,09 mm o +- 0,04 mm/mm tal sea el caso mayor que. Depende mucho de la geometría, esto dependiendo del proceso al que se someta la herramienta.

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Diseño de herramientas

Las herramientas compuestas se conocen como “shell”, principalmente, mientras que las herramientas de estilo se conocen como “sparse”.
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El estilo Shell es utilizado en la mayoría de las aplicaciones, soporta hasta 0,7 MPa y para muchas geometrías de herramientas se convierte en diseño rentable ya que minimizan el material de uso y tiempo de construcción.

El estilo Sparse tiende a tener mayor uso por la rigidez y estabilidad general, aunque algunas geometrías de herramientas demandan el uso de este estilo.

Validación, pruebas, características.

Dentro de las diferentes pruebas que se realizaron incluye desgasificación (verificar ausencia de posibles contaminantes), disolvente exposición (verificar compatibilidad con disolventes comunes, IPA, acetona y MEK, y evaluaciones de rugosidad (verificar y cuantificar acabados). Las pruebas que veremos a continuación son con el material ULTEM 1010.

Calidad de impresión y estabilidad térmica

Para esto fueron evaluadas diversas herramientas antes y después del ciclo térmico. Tres de las herramientas construidas se hicieron diseños diferentes para identificar la variación. Estas fueron transferidas a una instalación de inspección.

Las herramientas fueron escaneadas antes para someter a temperaturas elevadas, en ciclismo, las herramientas fueron de vacío (embolsado en sobre), se calentó a 180° C, mantenido su temperatura durante dos horas (mínimo) bajo vacío total, en rampa bajar a menos de 65° C llegando hacer 10 ciclos consecutivos.

De acuerdo con los datos de escaneo de una comparación del ventilador de una UAV y el CAD original, muestran como referencia las áreas que varían de aproximadamente 0.48 mm (0,019 In), entonces la herramienta de tema es de aproximadamente de 355 x 256 x 100 mm (14,5 x 10,5 x 4 In) de tamaño. 

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Herramienta – vida

La vida útil de herramientas metálicas es crítica, si consideramos piezas de producción. Es difícil obtener información experimental esto por cuestión de tiempo y recursos que se involucran para obtener dicha información. Practica empírica para la recopilación de datos.

Pruebas de precisión y estabilidad térmica es el enfoque en estas pruebas empíricas, pero se extenderán los ciclos térmicos. Un ventilador de una UAV es la geometría de herramienta a analizar, este en los dos tipos de construcciones, estas fueron cicladas para 30, 60, 90 ciclos (180° C, vacío total solo horno), posteriormente la evaluación – inspección con fabricación de laminados de ocho capas carbono cuasi-isotropicas/epoxi y evaluación dimensional.

Por otra parte, hablando analíticamente - mecánicamente dinámica (DMA) se usa para evaluar la flexión de 3 puntos y esta prueba isotrópica se realizó con 0,7 MPa 100 psi, y en temperaturas de 180° C, 195° C, y 205° C, luego superposición de tiempo y temperatura (TTS). El uso de TTS es para ver el comportamiento viscoelástico para una temperatura dada.   

Estas pruebas nos arrojan que las herramientas secan de 4 horas a 125° C antes del uso para laminados aceptables – calidad (sin porosidad u otros problemas obvios).

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Hablando nuevamente de la vida útil de la herramienta empírica se describe en 90 ciclos y da como resultado pequeñas desviaciones fue medida en 0,145 mm (0.0057 In) y tiene desviación promedio de 0,051 mm (0.0020 In).

Los resultados del material ULTEM 1010, demuestran que es capaz de ir más allá de los requisitos de creación de prototipos. La deformación por flexión se determinó en 3.5 % (probado por ASTM D790 3). La tensión es baja 0,1% con este dato se sabe que se tiene 80 horas de exposición a 180° C y 0,7 MPa.

deformación-por-flexion

FDM es utilizado para la colocación y reparación de herramientas compuestas de bajo volumen. La resina ULTEM 1010 permite herramientas para altas estructuras compuestas de curado a 180° C. Hoy día existe información necesaria para interactuar con el conocimiento para descubrir el potencial de cualquier material no solo ULTEM, ahora este material también demuestra que la capacidad de funcionar con cargas más duras es el equivalente a decenas de ciclos autoclave de alta temperatura y presión. Por supuesto el menor uso de presión o temperatura, los ciclos se extienden a la vida útil.

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