In che modo la stampa 3D può contribuire alla produzione di stampi?

Tradizionalmente, i processi produttivi più utilizzati nel settore sono stati classificati in due grandi gruppi: la manifattura sottrattiva, rappresentata principalmente dalla lavorazione CNC, e la manifattura formativa o formato da stampaggio, rappresentato dallo stampaggio ad iniezione e dallo stampaggio a cera persa. Entrambi i gruppi sono coesistiti fino ad oggi e la scelta dell'uno o dell'altro è dipesa principalmente dalla complessità della parte, dal materiale scelto o dal volume di produzione.

Negli ultimi tempi, un terzo gruppo ha aperto un varco nel settore fino a coesistere con i due precedenti: la manifattura additiva o la stampa 3D. Tranne in casi molto specifici o applicazioni molto specifiche, attualmente sia la produzione sottrattiva che quella additiva e formativa supportano un gran numero di materiali comuni e sono in grado di produrre pezzi altamente complessi. Questo è il motivo per cui molte volte il criterio per selezionare l'uno o l'altro si basa principalmente sul costo di produzione.

Immagine 1: Curve di costo unitario in funzione del volume di produzione. Fonte: 3Dhubs.com

A volumi di produzione medio-bassi, la stampaggio non può competere con la produzione additiva e la lavorazione CNC, principalmente a causa degli elevati costi di ammortamento delle attrezzature e della necessità di stampi ad alto costo. Tuttavia, quando si tratta di produzione di massa, lo stampaggio è il re indiscusso.

Lo stampaggio richiede la produzione di stampi per lo stampaggio ad iniezione, e cavità negative lasciate dopo che la cera si scioglie nel caso dello stampaggio a cera persa, che a loro volta richiedono anche stampi o metodi CNC per la loro produzione. Ed è per questo che la lavorazione CNC è ancora necessaria anche nei processi di formatura degli stampi, essendo tradizionalmente il metodo più diffuso nella produzione di stampi riutilizzabili.

Immagine 2: Stampo per lo stampaggio ad iniezione. Fonte: https://commons.wikimedia.org/

Immagine 3: Modello in cera per stampaggio a cera persa. Fonte: https://commons.wikimedia.org/

Ma in che modo la stampa 3D può contribuire allo stampaggio?

Stampaggio a cera persa

Lo stampaggio a cera persa consiste nell'applicare un rivestimento ceramico su un modello in cera sacrificale e calcinarlo per ottenere così lo stampo. È un processo ampiamente utilizzato nella fabbricazione di componenti meccanici di fusione per la sua elevata precisione e per il fatto che consente la produzione di forme molto complesse.

Lo svantaggio principale di questo processo è che lo stampo viene distrutto quando il pezzo viene rimosso, quindi è necessario creare un modello in cera e uno stampo per ogni pezzo.

Video 1: processo di fusione a cera persa. Fonte: Niagara Investment Casting

Per produrre modelli in cera è necessario uno stampo permanente, solitamente in alluminio lavorato a CNC. Ciò significa che per bassi volumi di produzione i costi salgono alle stelle. Un'altra alternativa è utilizzare la lavorazione CNC per produrre i modelli in cera nel caso di prototipi o produzione di poche unità, ma anche se i costi sono ridotti, richiede attrezzature costose e presenta alcune limitazioni in termini di pezzi complessi.

È qui che la stampa 3D può rappresentare un cambio di paradigma. Da un lato, lo sviluppo di nuovi materiali calcinabili per la stampa SLA e FDM consente di sostituire i tradizionali modelli in cera con modelli polimerici stampati in 3D. Ciò presuppone una serie di vantaggi non solo a livello di costi di produzione dei modelli, ma anche di risparmio di tempo e agilità nell'introduzione di nuovi prodotti o nella correzione di difetti. Inoltre, i modelli prodotti dalla stampa 3D hanno una resistenza molto superiore a quelli realizzati in cera, riducendo al minimo la possibilità di romperli o causare difetti durante la manipolazione.

Oggi, praticamente tutti i produttori di resine dispongono di materiali calcinabili di alta qualità come la resina calcinabile di Formlabs o ZWax di Uniz. Ciò ha portato la stampa 3D SLA a sostituire in gran parte l'uso della cera in alcuni settori come la gioielleria, dove è comune l'uso di stampanti come la Form 3.

Immagine 3: modelli di gioielli stampati in 3D da utilizzare nella fusione a cera persa. Fonte: Formlabs

Nonostante questo, in altri settori come quello industriali, i modelli in cera sono ancora comuni, forse per la necessità di modelli di grandi dimensioni. Oggi, la comparsa di stampanti 3D SLA ad alto volume come Form 3L o UniZ zSLTV, nonché lo sviluppo di filamenti calcinabili come PolyCast, significano che la limitazione delle dimensioni è sempre minore e che i settori industriali possono approffitare dei vantaggi di sostituire i modelli in cera con quelli stampati in 3D.

Video 2: Utilizzo del filamento Polycast. Fonte: Polymaker.

Tuttavia, anche la produzione di modelli in cera è governata dal grafico in figura 1, raggiungendo un punto in cui il costo di realizzazione di modelli in cera utilizzando uno stampo è più redditizio rispetto alla produzione dei modelli utilizzando stampa 3D. E anche qui la stampa 3D ha molto da offrire. La bassa temperatura di fusione della cera consente di sostituire i tradizionali stampi in alluminio o acciaio con stampi stampati in 3D, con il notevole risparmio economico e di tempo che ciò comporta.

Figura 4: Forma 3L. Fonte: Formlabs

Stampaggio a iniezione

Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione formativa in cui si inietta plastica fusa a pressione in uno stampo staccabile e si lascia raffreddare e solidificare all’interno.

Tradizionalmente, l'uso della stampa 3D nella produzione di stampi a iniezione è stato considerato irrealizzabile. Ciò è dovuto a due ragioni principali: la bassa resistenza termica dei polimeri utilizzati nella stampa 3D e la rugosità superficiale inerente alla stampa 3D SLS in metallo.

Oggi la stampa 3D non può sostituire completamente gli stampi lavorati a CNC per iniezione, tuttavia, lo sviluppo di materiali di stampa 3D SLA con elevata resistenza termica e meccanica ha aperto la porta all'uso di stampi stampati in 3D.

Un esempio è la resina High Temp di Formlabs, in grado di sopportare una temperatura di quasi 300ºC sotto una pressione di 0,45 MPa. Le sue proprietà altamente termomeccaniche, combinate con l'alta risoluzione e l'eccellente finitura superficiale della tecnologia SLA, la rendono un materiale ideale per la produzione di stampi.

Immagine 5: Stampo a iniezione prodotto mediante stampa 3D SLA. Fonte: 3Dhub

Per questo motivo la stampa 3D può essere un ottimo complemento nella produzione di stampi ad iniezione. Da un lato permette la produzione di stampi economici per serie brevi, dall'altro aiuta a verificare il design degli stampi in metallo prima della loro lavorazione. Quest'ultimo è di grande importanza, poiché la correzione di un difetto in uno stampo lavorato richiede processi di rettifica e persino la lavorazione completa di uno stampo nuovo, il che comporta un notevole aumento dei costi e un ritardo nella produzione.

Stampi in silicone e termoformati

Gli stampi in silicone e termoformati sono stampi monoblocco ampiamente utilizzati in pasticceria, cucina, gioielleria o cosmetica.

Questi sono stampi molto economici e molto semplici da produrre. Sono flessibili o semiflessibili per facilitare la sformatura, utilizzati principalmente con materiali non fondenti o fondenti a bassa temperatura come cioccolato, resine, cementi, ecc.

Imagen 6: Moldes de silicona. Fuente: wikipedia

Sono forse il tipo di stampo più comune e che tutti abbiamo utilizzato prima o poi, ad esempio per realizzare cubetti di ghiaccio, cioccolatini o cupcakes.

Imagen 7: Molde termoformado. Fuente: Mayku

Il loro uso però non è limitato alla pasticceria domestica, ma piuttosto trovano largo impiego in gioielleria per realizzare componenti di gioielleria in resina, o nell'arte e nella decorazione per produrre elementi in cemento e gesso.

Nonostante la sua fabbricazione sia molto semplice, l'unico modo per realizzare gli stampi è disporre di un modello originale da utilizzare come modello, ed è qui che la stampa 3D diventa utile.

La stampa 3D porta la possibilità di ottenere modelli personalizzati, in modo rapido ed economico da utilizzare come modello nella produzione di stampi in silicone e termoformati. Questo, insieme alla disponibilità di attrezzature economiche per la termoformatura come la Mayku Formbox, permette a piccole pasticcerie, gioiellerie e artigiani di produrre i propri stampi personalizzati in modo semplice ed economico, dando un valore aggiunto ai propri prodotti.

Video 3: Termoformatura con Mayku Formbox. Fonte: Mayku.

La stampa 3D non è solo una risorsa utile per ridurre i costi nei bassi volumi di produzione, ma anche nelle grandi produzioni, dove l'uso di stampi è fondamentale, la stampa 3D si è rivelata una tecnologia molto utile che può aiutare nella sua fabbricazione e in alcuni casi anche sostituirli.