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Uso de núcleos solúveis de FDM para a produção de peças compostas

Visão geral

As peças compostas são fabricadas por insuflação, envolvimento, moldagem e disposição em camadas de várias combinações de sistemas de materiais e resinas em moldes, padrões, núcleos e mandris. A produção de peças compostas ocas que prendam o padrão pode representar um desafio de fabricação. Uma forma de superar o desafio é usando ferramentas de concha para dispor duas metades (e unir), ou dispor de uma peça única a partir da parte interna da cavidade da ferramenta.

Descrição das aplicações

No passado, a maioria das empresas que usavam ferramentas de concha para produzir peças compostas ocas usava equipamentos de controle numérico computadorizado (CNC) para produzir padrões a partir de um quadro de poliuretano que era usado então para produzir os moldes. O custo dessa abordagem é algo, e os tempos de entrega são longos, particularmente se o padrão é usinado por um subempreiteiro. Por essas razões, várias empresas mudaram para a produção de padrões por meio da Fused Deposition Modeling (FDM). A tecnologia FDM é um processo de manufatura aditiva que constrói peças plásticas camada por camada, usando dados de arquivos CAD. A FDM oferece economia substancial de tempo e dinheiro ao permitir que os padrões sejam produzidos em muito menos tempo e a um custo menor.

Mesmo após aprimorar a produção de padrões, as empresas que produzem moldes compostos ocos se deparam com um processo de modelagem demorado. Depois do padrão ter sido produzido, leva normalmente em torno de três dias para que sejam construídos moldes e peças modeladas usando esse método. Normalmente são necessárias de 12 a 15 horas de trabalho direto, e o resto do tempo é gasto com a secagem.

Uma nova abordagem proporciona melhorias substanciais para produções de baixo volume com a substituição do molde por um núcleo solúvel FDM. Os núcleos solúveis reduzem substancialmente o tempo de entrega e as despesas com mão de obra eliminando a necessidade de fazer um molde, e também reduzindo o tempo necessário para a modelagem da peça. Em vez do processo tedioso de moldagem das duas metades do molde, e em seguida a moldagem da peça em cada metade, e a união das duas metades, o tecido composto pode ser embrulhado ao redor do núcleo solúvel. Depois da peça ter secado, o núcleo simplesmente se dissolve.

A natureza da manufatura aditiva torna possível que a FDM produza geometrias muito mais complexas do que as possíveis com outros núcleos. Em várias aplicações, a maior liberdade de projeto gera melhorias de desempenho e reduções de custo. Os núcleos solúveis FDM são fortes o suficiente para resistir às cargas dos processos de manufatura compostos. E não há risco de danos à peça durante a extração do núcleo, pois o núcleo simplesmente se derrete ao ser mergulhado em um banho líquido.

Visão geral do processo

A fabricação de núcleos solúveis de FDM requer duas mudanças ao processo FDM padrão. Primeiro, o núcleo é projetado para que sua estrutura interna seja, na maior parte, oca. Segundo, os termoplásticos resistentes de uma peça FDM padrão são substituídos por um material solúvel que normalmente é usado para a construção das estruturas de suporte de peças. O núcleo pode ser projetado de duas formas diferentes. Uma forma é criando um modelo 3D sólido e usando a opção de preenchimento esparso, no Insight — o software de preparação de construção da Fortus — para criar automaticamente uma estrutura interna que minimize o volume interno do núcleo. A segunda abordagem é criar (no CAD) uma estrutura interna que mantenha o núcleo estável sob as temperaturas e pressões da moldagem do composto enquanto promove o fluxo da solução para acelerar a remoção do núcleo. Ambas as abordagens minimizam o consumo de material, o tempo de construção e o tempo de lavagem.

É relativamente simples integrar núcleos solúveis de FDM no processo de fabricação. Não é necessária nenhuma modificação ao processo antes da secagem do composto e da remoção do núcleo. O ciclo de secagem também não se altera, mas as temperaturas devem ser limitadas para evitar a distorção. Em geral, as peças compostas com núcleos FDM devem ser secas a temperaturas abaixo de 250 °F (121 °C) e a pressões inferiores a 50 psi (345 kPa). A única modificação no processo é que, após a peça composta estar seca, o núcleo é removido com sua dissolução em um banho de solução. Para tal, a peça é mergulhada no sistema de suporte solúvel WaterWorks da Stratasys.

História de cliente

Após cada corrida, os engenheiros da Joe Gibbs Racing (JGR) têm apenas três dias para diagnosticar um problema, encontrar a solução e implementá-la antes que o carro seja enviado para a próxima corrida. A capacidade da JGR de ir do conceito à produção da peça a ajudou a liderar três campeonatos e a posicionou como uma das equipes mais competitivas do circuito NASCAR.

Um domingo, um pneu estourou em um carro da JGR e os engenheiros identificaram um problema com a tomada do duto que fornece ar para resfriar o pneu. No passado, teria levado mais de uma semana para o desenvolvimento de um novo projeto de conceito de tomada de duto, construção e avaliação de um protótipo FDM, construção do molde por meio de um padrão FDM e modelagem da peça composta. Esse processo não poderia ser concluído a tempo para a produção de uma nova peça antes da corrida seguinte.

A JGR usou um núcleo solúvel de FDM para reduzir substancialmente o tempo necessário para o novo projeto do duto e para a construção de uma peça de produção. Na segunda-feira, um engenheiro da JGR projetou uma nova tomada de duto para fornecer ar sobre o pneu exatamente onde necessário para mantê-lo resfriado. Em seguida, o engenheiro construiu um modelo de conceito em apenas quatro horas usando o sistema Fortus da Stratasys. Após concluir várias iterações no conceito e confirmar seu ajuste ao carro, o engenheiro produziu um núcleo solúvel de FDM. A peça final em fibra de carbono foi moldada no núcleo composto. Depois da secagem da peça, o núcleo solúvel foi dissolvido. A nova peça estava pronta na quarta-feira, a tempo de ser aparafusada no carro antes dele ser enviado para a corrida seguinte.

Como o uso de núcleos solúveis de FDM se compara ao uso de ferramentas de concha para a JGR?


Método

Custo

Tempo

Mão de obra

Padrão FDM e molde de concha

USD $350

3 dias

15 horas

Núcleo solúvel de FDM

USD $90

1 dia

2 horas

ECONOMIA

USD $260 (74%)

2 dias (66%)

13 horas (87%)

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