Mechanical design of hybrid moulds: mechanical and thermal performance implications

Abstract

The design and manufacture of injection moulds are the most time-consuming phases in the development of new plastics products. In the last two decades the advances in rapid prototyping and manufacturing technologies made possible the use of materials alternative to steel in some mould components. The integration of these components with conventional mould structures originated to the concept of hybrid mould. This alternative design solution aimed at satisfying the need for deployment of short series of new products more quickly and at competitive prices. This research work investigates the influence of materials used in moulding blocks of hybrid moulds in the mould performance, namely, reproducibility, operation regimes, thermal and mechanical issues. Furthermore it was analysed the effect on the definition of the more adequate processing conditions and the moulding properties. The study was based on tri-dimensional objects: a tubular cylindrical part and a more geometrically complex support box. The tube was produced in an existing simple instrumented hybrid mould and the support box was produced in a reusable and flexible hybrid mould. The latter was designed and manufactured in the context of this research work. The performance of the hybrid moulds was evaluated by comparing various combinations of moulding blocks (cavity and core) produced in alternative materials with the standard steel solution when injection moulding polypropylene. The comparison was based on the observation of the morphology structure of the mouldings, the thermal performance, the moulding shrinkage and the structural performance of the mould. The moulds were instrumented with pressure and temperature sensors and a load cell for monitoring the ejection force needed on a moulding pin incorporated in the lateral movement of the support box. The prediction of the moulding performance of the moulds was done using the injection moulding software Moldex3D. The mechanical performance of the components in alternative materials was done with the structural analysis software ANSYS Workbench. The results show the importance of predicting the mould regime temperature when establishing the appropriate processing conditions when softer materials are used in the moulding blocks. It was concluded that in the design of hybrid moulds it is necessary to consider the deformation of the moulding blocks that are caused by the pressure field during injection. This is critical to predict the shrinkage and the final dimensions of the mouldings.

O projecto e o fabrico de moldes de injecção para plásticos ocupam um longo período de tempo no desenvolvimento de novos produtos. Nas duas últimas décadas os avanços das tecnologias de prototipagem e de fabrico rápido tornaram possível o uso de materiais metálicos alternativos e de resinas sintéticas em alguns componentes do molde. A inserção destes em estruturas convencionais deu origem ao conceito de molde híbrido. Esta solução alternativa procurou satisfazer a necessidade de colocar pequenas séries de novos produtos no mercado mais rapidamente e com preços competitivos. Este trabalho de investigação explora, essencialmente, a influência dos materiais usados nos blocos moldantes de moldes híbridos no desempenho do molde (ex. reprodutibilidade, regimes de funcionamento, aspectos térmicos e mecânicos). Também se estudou a sua influência no estabelecimento das condições processamento mais adequadas e nas propriedades das peças moldadas. Estudaram-se duas peças de geometria tridimensional: uma peça tubular e uma caixa-suporte com detalhes complexos. O tubo circular foi produzido num molde híbrido simples e já existente e a caixa-suporte num molde híbrido flexível e reutilizável. O segundo molde foi especificamente projectado e fabricado no âmbito deste trabalho de investigação. O desempenho dos moldes híbridos foi avaliado comparando o efeito de várias combinações de materiais alternativos nos blocos moldantes (bucha e cavidade) com a sua versão convencional em aço, na moldação de polipropileno. A comparação contemplou a observação da estrutura morfológica, o desempenho térmico, a contracção das moldações e o desempenho estrutural do molde. Os moldes foram instrumentados com sensores de pressão e temperatura e com uma célula de carga para medir a força de extracção de um pino moldante incorporado num movimento lateral da caixa-suporte. Utilizaram-se softwares de simulação do processo de moldação por injecção (Moldex3D) e estrutural (ANSYS Workbench) na previsão do desempenho dos componentes moldantes dos moldes híbridos. Os resultados mostram a importância da previsão do regime de temperatura de funcionamento do molde híbrido no estabelecimento das condições apropriadas ao processamento quando são utilizados materiais menos rígidos nos elementos moldantes. Foi constatado, ainda, que no projecto de moldes híbridos se devem considerar as deformações dos blocos moldantes causadas pelas pressões durante o ciclo para prever a contracção e as dimensões finais das peças moldadas.