Thermal performance of additive manufacturing materials for hybrid moulds

Abstract

Hybrid moulds are an increasingly considered alternative for prototype series or short production runs, where the moulding inserts are produced by Additive Manufacturing (AM) in alternative materials, namely polymers. However, one of the main issues associated with the use of these materials is their thermal behaviour due, mainly, to the low thermal conductivity values. This study aims to evaluate the thermal performance of moulding inserts produced via Rapid Prototyping (RP) and conventional manufacturing techniques as well as the resulting moulded part quality, supported by Computer-Aided Engineering (CAE) simulations results, through Moldex3D software. The first part of this research was centered on the analysis and characterization of eight different materials from three different technologies (Material Jetting, Fused Deposition Modelling (FDM) and Direct Metal Laser Sintering (DMLS)) in order to define the suitable materials to apply in hybrid moulds. Therefore this first investigation permitted to narrow the Additive Manufacturing (AM) materials to just two polymeric materials that were further studied. Three insert materials and technologies were evaluated: Objet500 Connex3 using Digital ABS Thin Walls, Fortus 900mc using PPSF and machining using P20 steel. Dimensional accuracy, temperatures along the cycles, longevity of the moulding inserts, part quality and shrinkage behaviour of Polyoxymethylene (POM) mouldings were recorded. In the end, it was found that PPSF moulding inserts had worse surface finishing than Digital ABS Thin Walls, which originated parts with worse quality. However, Digital ABS Thin Walls was suitable for this application and using spray air as a complement of cooling decreased significantly the cycle time and had not any consequences in the shrinkage of the moulded parts.

Os moldes híbridos são uma alternativa cada vez mais procurada para a produção de protótipos ou séries curtas, onde os insertos moldantes são produzidos por manufatura aditiva, em materiais alternativos, nomeadamente polímeros. No entanto, uma das principais questões associadas ao uso destes materiais é a sua performance térmica, principalmente ao nível da condutividade. Este estudo pretende não só avaliar e comparar a performance térmica de insertos moldantes produzidos por prototipagem rápida e por técnicas de maquinação convencionais, como também a qualidade da peça resultante. Estes resultados foram validados por simulações CAE, através do software Moldex3D. Assim, numa primeira fase, a pesquisa focou-se em analisar e caracterizar oito materiais distintos, de três tecnologias distintas (Material Jetting, FDM e DMLS) para aplicação em moldes híbridos. Estes resultados permitiram selecionar dois materiais poliméricos de manufatura aditiva, que continuaram a ser estudados. Posteriormente, foram avaliadas três tecnologias e materiais: Objet500 Connex3 com Digital ABS Thin Walls, Fortus 900mc com PPSF e maquinação convencional com aço P20, ao nível da precisão dimensional, temperaturas ao longo dos ciclos e longevidade dos insertos moldantes e a qualidade e contração das peças produzidas em POM. No final, observou-se que os insertos moldantes em PPSF tiveram pior acabamento superficial, o que originou peças com pior qualidade do que usando Digital ABS Thin Walls. Contudo, este último mostrou-se uma boa solução para aplicação em moldes híbridos e usar ar comprimido como complemento de arrefecimento diminui significativamente o tempo de ciclo, não trazendo consequências na contração das moldações.