aplicación de las tecnologías poliméricas de fabricación...
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Aplicación de las tecnologías poliméricasde fabricación aditiva al desarrollo
de moldes y utillajes para series prototipos
CDTI, Madrid 31 de Mayo de 2017
Especialización
• Plásticos y Composites• Biotecnología• Medio Ambiente y Reciclado
Datos relevantes www.gaiker.es
• 86 • 9 • 6,3 M€
Ubicación
Parque Científico-Tecnológico en Zamudio, Bizkaia
GAIKER-IK4: Combinación Fabricación Aditiva con Tecnologías de
Transformación de Polímeros
Qué ofrecemos a la industria
• Somos especialistas el desarrollo y caracterización de materiales poliméricos para impresión 3D, en el diseño e impresión de modelos, utillajes, prototipos y piezas finales .
• Combinamos tecnologías de FA y las tecnologías de moldeo de plásticos y composites (Inyección, Compresión, Termoformado, Rotomoldeo, Filament Winding, Pultrusión, RTM, Infusión, Moldeo a Baja Presión , Curado por Microondas).
• GAIKER-IK4 cuenta con una planta piloto para el desarrollo, impresión y caracterización de materiales de fabricación a aditiva de la que forman parte los siguientes elementos:
• Laboratorio de formulación y caracterización reológica. • Línea de fabricación de compounds y filamentos de impresión 3D de 1,75 y 2,85 mm de
diámetro. • Impresoras profesionales de filamento y de sobremesa.• Colaboramos en el desarrollo de nuevos extrusores para impresión 3D (granza, pastas).• Laboratorio de aplicación de recubrimientos decorativos y funcionales. (Acabado de
superficies).• Laboratorio de caracterización físico, mecánica, térmica, microscopia.
Tecnología Poliméricas de FA desde el desarrollo de materiales, caracterización, procesos de impresión (FDM) hasta la aplicación
Aplicación de las tecnologías poliméricas de fabricación aditiva al desarrollo de moldes y
utillajes para series prototipos
Algo de historia• Las tecnologías de fabricación aditiva aplicadas a herramientas y moldes (tooling) está entre un TRL > 8
en función del sector del sector de aplicación.
• Fallo de las tecnologías de rapid tooling (años 90) en aplicaciones de moldes (ej, moldes de inyección).
Necesidad de pasar de prototipo conceptual a prototipo funcional.
• En los últimos años se están desarrollado nuevos conceptos (moldes e insertos híbridos, combinación de tecnologías rapid tooling convencionales y fabricación aditiva,…):
Mayores ventajas: (abaratamiento de costes, reutilización de insertos,…).
Moldes prototipo en impresión 3D.Oportunidad para la empresa
Del prototipo conceptual a pieza funcional en material final
Factores principales para el resurgimiento• Desarrollo de nuevos materiales.• Madurez de las tecnologías. Liberación de patentes.• La generación de un tejido industrial en torno a estas tecnologías.• La mejora de las tecnologías de FA en aspectos como el acabado superficial.• La reducción en los costes operativos de los procesos aditivos.• La generación de comunidades que han trabajado en el desarrollo de código abierto y su integración
y conexión a través de plataformas (https://www.3dhubs.com/)
Demandas de la industria• Producción de prototipos y series cortas en material final.• Abaratar costes de inversión en etapas de desarrollo (Hay sector donde esta etapa supone un
alto coste en precio final de producto. Ejemplo: sector salud).• Acelerar nuevos lanzamiento al mercado.• Demanda de Re-styling.• Evaluación de pruebas funcionales de distintos elementos utilizando proceso real de fabricación.• Abaratar costes de desarrollo, evaluando problemas de procesado.
Moldes prototipo en impresión 3D.Oportunidad para la empresa
Principal interés. Nicho de mercado
Fase del proceso
Oportunidades•Reducción “Time to market”.•Reducción de costes de material y rediseño.•Procesos de interés en el sector plástico.
•Termoformado•Soplado•Moldeo a la cera perdida•INYECCIÓN y•Moldeo de COMPOSITES
NJ NPJ DOD
PLASTICO
METAL
MJF SLS DMLS/SLM EBM
SLA DLP CDLP
FDM / FFF
Principales tecnologías de FA. Tecnologías poliméricas.Aplicación en utillaje
Inkjet
SLA
FFF
EXTRUSION TERMOPLASTICOABS, PLA, PC, PC/ABS, PA, PEEK, PEI…
TECNOLOGIAS CURADO FOTOPOLIMEROSACRILICAS, EPOXI, PUR…
TECNOLOGIAS LECHO DE POLVOPA, PEBA, PEEK…
TECNOLOGIAS DE CHORRO DE MATERIALACRILICAS
LS
Fuente Figuras: https://techcrunch.com/2016/09/06/3d-printing-technologies-explained/
¿Qué Tecnología utilizar?N
ece
sid
ad
Prototipo FuncionalGrado de detalle
de la pieza
Bajo- Medio Extrusión (FDM / FFF)
Medio Sinterizado laser (SLS)
Alto
Inyección de fotopolímero de curado UV
Esterolitogafía (SLA)
Pieza finalMaterial a emplear
PolímeroSinterizado laser (SLS)
Extrusión (FDM)
Metallaser/Haz de electrones
(SLM/DSLM/EBM)
Modelo/ prototipo de concepto
Tipo de acabado superficial
Suave Esterolitografía (SLA)
AsperoMaterial a emplear
Metal, Cerámico,
Yesoinyección de aglutinantes
Papel Laminación
Mono-Bimaterial Extrusión (FDM/FFF)
Mono-Multimaterial Inyección de fotopolímero de curado UV
MulticolorInyección de fotopolímero de curado UV / inyección de aglutinantes-yeso/
laminación papel
APLICACIONES DE MOLDES
Casos Práctico de comparación de tecnologíasen un útil de inyección
Proyecto Europeo ANGELAB “A New GEnetic LABoratory for
non-invasive prenatal diagnosis” (Contract no. FP7-ICT- 317635)
Objetivo de la actividad de FA: Comparar nuevos desarrollos en tecnologías de FA y materiales en la construcción de moldes prototipo para inyección de chips de microfluídica en un material alternativo (PP)
Elementos sujetos a valoración
• Acabado de pieza conseguible (rugosidad, ángulo de contacto afectan a la funcionalidad).• Nivel de replicación de geometrías comunes en piezas de canales, cámaras de mezcla hexagonales,agujeros, tetones de dimensiones < 1mm, combinación con insertos metálicos.• Estudio de la inyección con material: PP grado médico sin uso de desmoldeante.• Duración del molde según condiciones de inyección y estado de las piezas inyectadas.• Evaluación de coste/ tiempo de fabricación.
Estrategia planeada:
• Elaborar y evaluar pastillas /insertos compatibles con molde cajetín metálico (GAIKER-IK4).
Tecnologías evaluadas
SLA (2 materiales) SL (2 materiales)Injet (polyjet, ABS digital) DLP (resina acrílica para moldeo).
Estrategia del estudio
Resultado obtenidos fase 1:
Descarte de Tecnología de SL
Evaluación inyección a baja presión de moldeo y alto tiempo de compactaciónde 20 piezas
•Molde de PA no resiste 20 pieza inyectactas•Mejor replicabilidad en canales y hexágono
en SLA epoxi 1•Solo se replica tetón en SLA-EP1, pero no copia bienen proceso inyección. Tetones metálicos
SLA-EP1
Pieza 1 Pieza 20
Construcción
2 insertos de SLCon compuestos (PA)
2 insertos en 2 Grados deEpoxi alternativos
Cámara hexagonal
tetones
canal
Etapas 2: Diseño combinado con insertos metálicos
• Inclusión de agujeros pasantes de 0.6;0.8;1.1 mm) para inclusión de insertos metálicos.
• Tecnologías de construcción: SLA (EP1 y 2), Inkjet (ABS2)y DLP (B9).• Se ha utilizado tecnología de postcurado en Inkjet.
Evaluación de insertos antes de proceso de inyección
Material( Agujeros pasantes Hexágonos (mm)
Acabado/Rugosidad(µm)
SLA -EP1 1.1/0.75(conic)/0.65 4.76 (altura) 0.4-1.7
SLA –EP2 1.1 (elipt)/0.8 (conic)/0.5-0.6 4.85(altura) 5-11
Inkjet 1.1/ inferiores no uniformes 4.5 1.6-3.4 (tacky)
DLP No pasantes ,no circulares 5 1.6-4.0
SLA EP1 SLA EP2 Inkjet DLP
3D
Etapas 2: Valoración proceso de inyección
Tipo de inserto Nº piezas Ranking de desmoldeo
Observaciones
SLA-EP1 > 40 piezas. Empieza a fallar con incremento presión de compactación > 50b (90b)
2 Acabado brillante de pieza transparente. Tiempo de compactación óptimo 45-60¨ para evitar alabeos y rechupe en pieza
SLA-EP2 >30 piezas. Resistencia similar al EP1, salvo en canales extremo
3 Acabado mate de pieza es más mate que la EP1. Buena replicación
INKJET-ABS 10 (condiciones de molde iniciales)
1 Fallo en zona alrededor de inserto metálico. Pieza copia efecto superficial del inserto. Buena replicación salvo en agujeros
DLP <5 piezas el molde empieza a desintegrase alrededor de los bordes de las zonas hexagonales
4 El material del molde no resiste la temperatura de moldeo
Condiciones de inyección: 200ºC/Material PP grado médicoParámetros estudio: Presión de compactación, Tiempo de enfriamiento, Desmoldeo
Principales conclusiones:
El nivel de detalle que exigen las aplicaciones de microfluídica y el acabado superficial hace que las tecnologías de FA y materiales valoradas, estén en el límite aceptable para la construcción de de moldes prototipo de inyección . (Aplicación muy exigente a nivel de detalle, pero ofrece posibilidades para trabajar diseños y materiales alternativos durante la fase de desarrollo).
TECNOLOGIA SLA.• De todas las tecnologías ensayadas, la combinación de SLA-EP1, es la que mayor valoración ofrece en (construcción de detalles , durabilidad de molde, acabado superficial menos rugoso y brillante.• En el caso de la SLA-EP2 tiene buena reproducibilidad en agujeros hasta 0.75 mm, falla con respecto a la combinación anterior en desmoldeo y rugosidad.• La tecnología SLA, muestra defectos de construcción en transición defigura hexagonal y canales.
TECNOLOGIA INKJET• Tecnología muy valorada en cuanto a su comportamiento a desmoldeo con PP.• Material seleccionado buena rugosidad pero acabado tacky (mejora con el postcurado).• No válida para construcción de agujeros pasantes (recomienda realizarlos después de la construcción).
TECNOLOGIA DLP• El nivel de detalle en construcción es inferior al resto de las tecnologías. (Pieza muy voluminosa).• La resistencia del material no es la más adecuada para inyección.
PROCESO• Mantener ciclos de trabajo largos y minimizar presión de retención al mínimo. Condiciones de Trabajo más bajas que en producción. Lo cual hace que el aumento de temperatura cada 15 pieza < 5 ºC.
Otros ejemplos :Proyecto Etorgai 2015-2018 FAMOLD
•Desarrollar compuestos poliméricos para impresión 3D de moldes de inyección.•Desarrollar compuestos poliméricos para la impresión de modelos para el procesode fundición a la cera perdida.•Definir tratamientos de acabado de los productos imprimidos para mejorar suacabado superficial y resistencia térmica, y al desgaste.•Desarrollar tecnología de fabricación aditiva para la impresión de moldes y modelospara los procesos de inyección y fundición.
Otros ejemplos: Proyecto Etorgai 2015 -2017 Preforge
• Tecnología de Extrusión• Estabilidad dimensional• Resistencia térmica para
soportar las temperaturas de curado
• Resistencia Química• Resistencia mecánica para
soportar las presiones de moldeo
• Resistencia al desgaste para la elaboración de series cortas y medias de piezas.
• Conductividad térmica• Transparencia frente a las
microondas
Susceptibilidad a las microondas
Estrategias de construcciónImpresión de
termoplásticos técnicos
Especificaciones del moldeoPostizos para moldeo por compresión de prepregs
termoestables
Otros ejemplos: Proyecto ELKARTEK 2015-2018 ACTIMAT
Ejemplos de aplicación de la fabricación aditiva con polímeros
UTILLAJE PARA EL MOLDEO DE COMPOSITES
Mandrino de evaluación de arrollamiento de depósito que incluye elementos imprimidos
OBTENCIÓN DE ESTRUCTURAS TUBULARES, HUECAS DE COMPOSITE POR FILAMENT
WINDING
Diseño de mandrinoacodado destruible
Impresión por partes del mandrino acodado
Bobinado con fibra de carbonoy resina vinílester
OBTENCIÓN DE ESTRUCTURAS COMPLEJAS Y TUBULARES EN
COMOSITE MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE PREIMPREGNADOS
Estructura multitubularcon preimpregnados
de carbono
Troquelado de preformas de prepregs carbono
Colocación del prepreg Aplicación de vacío
Pieza impresa
ESTRUCTURAS DE SOPORTE PARA PIEZAS DE GEOMETRÍA COMPLEJA EN COMPOSITE
Ejemplos de aplicación de la fabricación aditiva con polímeros
Ejemplos de aplicación de la fabricación aditiva con polímeros
UTILLAJEMORDAZAS DE LABORATORIO. PROBETAS DE ADHESIÓN SECTOR MÉDICO
EQUIPAMIENTO PROTOTIPO
Probeta según requisitos
norma
Diseño de útil porFDM para obtención
de probetas se
Aplicación de adhesivo
Preparación de probetas
Unión previa ensayo
DISPOSITIVO INTEGRADO PARA DETECCIÓN DE MICROORGANISMO IN-SITU
Integración de:• Módulos funcionales• Software de
funcionamiento• Sensores mediante tecnologías Impresión 3D
Tendencias a futuro de las Tecnologías de FA poliméricas
En 5 años*:
Cambios en el modelo de negocio de muchas empresas. Incrementan su valor añadido
El país con más introducción es Alemania (37%) y se lo plantean un 12% adicional
La industria del plástico e ingeniería mecánica (automoción, aeronáutica). Producción de bajo volumen rentable.
*Fuente: Ernst& Young “How will 3D printing make your company the strongest link in the value chain?”
Un claro enfoque a la construcción de piezas finales funcionales.
Liderados por nuevos desarrollo de tecnologías asequibles, materiales y acabados (nuevasresinas, nanotecnologías), monitorización de procesos, formación, etc.
• El desarrollo en conjunto de materiales funcionales, procesos y software y diseño, mejorarála validación, repetitividad y funcionalidad de los productos a desarrollar.
• Desarrollo del diseño y simulación de materiales para modelizar las propiedades finales del producto en función de las estrategias de construcción.
• Construcción de piezas multimaterial o con gradiente de propiedades según zonas.
