Bastech utilise des inserts de refroidissement conforme imprimés en 3D pour réduire les coûts et les délais

Depuis l'origine du moulage par injection industriel, le maintien d'une température régulière à la surface du moule représente un défi permanent.

Pour arriver à stabiliser la température, les fabricants ont utilisé des déflecteurs, des bulles et des tuyaux de chauffage. Ils ont laminé des blocs regroupés et ajouté des configurations de perçage complexes à leurs moules.

Au cours des dix dernières années, le refroidissement conforme (la conception de canaux de refroidissement suivant naturellement les contours de la pièce produite) est devenu une solution de contrôle des températures du moulage par injection. Mais le refroidissement conforme ajoute un autre niveau de complexité en termes de conception et de production au processus de fabrication de moules, ce qui le rend inabordable pour la majorité des ateliers.

Une méthodologie à toute épreuve

Bastech, un fournisseur de solutions uniques basé dans l'Ohio pour les services d'atelier, de fabrication additive et de ventes d'équipements, a connu des problèmes de la température, mais pense avoir trouvé le moyen d'améliorer le niveau de simplicité, d'efficacité et de rentabilité du refroidissement conforme. Ses recherches sont facilitées par son statut de partenaire Gold agréé de 3D Systems, qui lui donne accès aux compétences et technologies d'impression 3D les plus récentes.

L'avancée de Bastech, documentée dans deux tests de référence récents, est basée sur le logiciel de CAO/FAO Cimatron et l'imprimante 3D ProX DMP 200. Bastech procède à des simulations des conceptions de moules de refroidissement conforme à l'aide du logiciel Moldex3D, un partenaire de 3D Systems, et inspecte les moules d'impression directe en métal (DMP) réalisés à l'aide du logiciel d'inspection et de métrologie Geomagic Control X.

Le processus représente une solution de fabrication complète avec une simple intégration entre les environnements numériques et physiques et est entièrement optimisé par les produits de 3D Systems.

« Nous sommes en mesure d'associer un logiciel puissant conçu pour exploiter toutes les capacités de l'impression 3D et des imprimantes qui produisent une pièce métallique entièrement dense présentant des surfaces lisses et nécessitant un post-traitement limité. Nous disposons ainsi d'une méthodologie à toute épreuve pour fabriquer des moules de refroidissement personnalisés », déclare Ben Staub, PDG de Bastech.

Automatisation de la conception et de l'analyse

Le test de performances de Bastech a comparé deux pièces très similaires en termes de volume, de taille et de configuration. Bastech en a conçu une avec un noyau conforme et a ensuite imprimé la pièce en 3D ; elle a conçu l'autre avec une configuration standard de déflecteurs en spirale et a fabriqué la pièce de manière traditionnelle.

Bastech a créé la conception du refroidissement conforme à l'aide du logiciel Cimatron, qui couvre l'ensemble du cycle de fabrication des moules : du devis jusqu'à la conception, en passant par l'application des modifications techniques et la programmation de CN et EDM. Cimatron comprend des fonctionnalités d'analyse et de conception à refroidissement qui prennent en charge les canaux de refroidissement à perçage traditionnels et les canaux de refroidissement conforme pour la fabrication à l'aide des technologies d'impression 3D.

Par le biais d'une intégration étroite avec Moldex3D, les concepteurs de moules par injection utilisant Cimatron ont la capacité de réaliser une analyse automatisée du remplissage de moule pour optimiser la disposition du canal de refroidissement.

« L'association de Cimatron et Moldex permet de bénéficier d'un logiciel expert permettant aux ingénieurs moins expérimentés de créer des conceptions de meilleure qualité, affirme Staub. C'est un facteur important, car le besoin de fabricants d'outils expérimentés est bien plus important en raison de la diminution des ressources. »

« La conception pour l'impression 3D exige de comprendre la conception du support structurel pour réaliser une conception conforme aux spécifications et pour réduire le coût des matériaux et le temps de conception, ajoute Scott Young, responsable d'ingénierie chez Bastech. « Ce type d'expertise est intégré au logiciel Cimatron, qui permet à nos concepteurs de penser à la conception sans se soucier d'avoir à utiliser le progiciel de CAO pour définir des canaux internes complexes. »

Gains de temps et de cycles

La conception de Bastech pour le premier test de performances consistait en une hélice effilée placée à l'intérieur d'un cône d'espacement pour des assemblages industriels. Des canaux de refroidissement conforme ont été créés en faisant tourner la configuration conique de sorte qu'un côté soit parallèle à la surface extérieure du noyau tout en maintenant une distance constante par rapport à celle-ci. En effectuant une coupe le long de l'hélice effilée, Bastech a conçu une géométrie pouvant être fabriquée en un seul tirage sur l'imprimante ProX 200.

La conception du moule a pris deux jours et a été imprimée en 3D sur la ProX DMP 200 en trois jours. Pour optimiser sa productivité, Bastech a combiné l'impression 3D du moule avec celle de pièces destinées à d'autres projets Bastech.

L'imprimante ProX DMP 200 est une alternative économique aux processus de fabrication traditionnels, et autorise moins de déchets, des vitesses plus importantes en production, des temps de configuration réduits, des pièces en métal très denses, tout en donnant la possibilité de produire des assemblages complexes en une seule pièce.

« C'est un outil qui améliore nos capacités de moulage, affirme Staub. Il nous permet d'obtenir l'outillage dans des délais plus courts et résout les goulets d'étranglement au niveau de l'atelier. Nous pouvons économiser 30 à 40 heures par moule en éliminant les processus d'EDM et de perçage, et en limitant considérablement les opérations CNC et de polissage. »

Pour le noyau de l'hélice à flux inversé, la conception et l'analyse dans le logiciel Cimatron, combinées avec l'impression 3D sur la ProX DMP 200, ont permis une économie de plus de 40 heures de programmation et de production en atelier. En prenant en considération la totalité des coûts, le noyau imprimé en 3D a généré une économie nette de 1 765 $ (18 %) par rapport aux méthodes traditionnelles, selon M. Young.

Plus important encore, le moule à refroidissement conforme a conservé sa faible température tout au long du processus et a réduit le temps de cycle de 22 %.

« Le temps de cycle est un facteur essentiel pour un moulage par injection, avec la capacité de contrôle continu de la température à la seconde près », affirme Staub.

« Plus la stabilisation de la température est uniforme, plus la qualité des pièces moulées sera uniforme, indique Young. Éliminer les déformations causées par la variation de températures et réduire le temps de cycle représentent de considérables gains de performances. »

Des économies au-delà du noyau

Dans un second test de performances, la société Bastech est allée au-delà du noyau conforme pour concevoir un ensemble complet de moule coulissant avec noyau et cavité, conçu pour être imprimé en 3D. Dans ce cas, l'objectif était de maintenir la même température (43 °C) entre les conceptions traditionnelles et conformes afin d'observer les effets sur le refroidissement et sur les résultats du temps de cycle.

Une fois de plus, Bastech a enregistré des gains de temps importants en termes de programmation, usinage et polissage, et a complètement éliminé l'EDM dans la conception du refroidissement conforme. L'automatisation du logiciel Cimatron a réduit le temps de conception de 30 heures à seulement sept heures pour le moule avec refroidissement conforme. L'économie totale de coûts pour le moule imprimé en 3D a été de 2 505 $, soit une économie de 16 %.

Le temps de refroidissement a été réduit de 10,5 secondes pour le moule conventionnel à 7,5 secondes pour le moule conforme, et le temps de cycle primordial a été réduit de 14 %.

« Même si la température est restée la même pour les conceptions tant conventionnelle qu'à refroidissement conforme, la conception conforme a permis le coulage de plus de liquide sur une plus grande surface, elle est ainsi plus efficace pour le refroidissement du moule », affirme Young.

Effet majeur sur les résultats 

« La recherche de meilleures techniques de refroidissement n'est pas nouvelle, affirme Scott Young. Nous disposons désormais d'un logiciel qui permet aux concepteurs de moules de prendre de meilleures décisions concernant la configuration de leurs cavités, noyaux et inserts, puis de les réaliser par impression 3D. »

« Pour le moulage par injection à refroidissement traditionnel, il n'existe aucune solution idéale, affirme M. Staub. Vous pouvez seulement percer des trous à certains endroits et vous ne pouvez pas percer des trous au niveau des courbes des canaux, comme dans le refroidissement conforme conçu pour l'impression 3D. Désormais, nous n'avons plus à faire de compromis au niveau des conceptions à refroidissement conforme. »

Bastech a acheté l'imprimante ProX DMP 200 grâce à une subvention de l'État de l'Ohio et de l'Institut de recherche de l'Université de Dayton. Une partie de sa mission consiste donc à partager les résultats avec la communauté industrielle. Staub espère que les efforts de Bastech en matière de tests de performances apporteront la preuve aux ateliers de toute taille qu'il existe des solutions robustes et complètes pour parvenir au refroidissement conforme.

« De nombreux fabricants d'outillage devront adopter ces technologies 3D pour améliorer leurs ateliers, affirme-t-il. Nous voulons communiquer nos avancées pour que d'autres ateliers puissent voir que c'est possible, et que cela a également un impact majeur sur le chiffre d'affaires ».