Rapid tooling for injection moulding inserts

In the field of polymer processing, injection moulding is one of the most widespread manufacturing solution. Conventional moulds for injection moulding are generally made by tool steels obtained by machining a steel block and performing surface and thermal treatments. The obtained tools are characterized by a long life (hundreds of thousands of injection moulding cycles) but high costs (up to hundreds of thousands of euros). Moreover, the lead times for producing these complex tools can be some months. In case of low production batches (less than 1000 parts) or prototypes (at the design stage), conventional moulds become anti-economic. In this context, rapid tools represent a solution to this problem and allow companies to reduce costs and lead times. Rapid tools are tools obtained with unconventional technologies (mainly through additive manufacturing) and can also be made by unconventional materials (like polymers). In the first part of the thesis, the state of the art of injection moulding and rapid tooling is reported. In the second part of the thesis, the attention has been focused on metallic Rapid Tools obtained through WAAM (Wire + Arc Additive Manufacturing). The WAAM technology has been considered a good candidate tooling technology due to high build-up rate (up to some kg/h), the limited capital / operative costs and possibility to produce metallic parts. Thin-walled parts made by a steel welding wire have been 3D printed with a prototypal WAAM machine. The parts have been obtained by varying some process parameters and analysing their effect onto the bead shape. The results have demonstrated that, up to now, the WAAM technology cannot be considered a direct tooling technology to produce moulds for injection moulding due to the geometrical tolerances obtained: post-finishing operations are compulsory. Then, micro-hardness indentation and SEM characterization tests of WAAM parts have been performed, showing no particular macroscopic metallurgical defect between different layers and between the part and the substrate plate. In the third part of the thesis, FDM (Fused Deposition Modelling) technology was considered a good candidate to produce inserts for injection moulding due to its flexibility, large availability of commercial materials, widespread know-how and possibility to obtain rather complex shapes. Among all the possible materials commercially available for FDM, the polyetherimide (PEI) has been selected because it seems to be a good compromise between costs and thermo-mechanical properties. Firstly, the PEI has been characterized with DSC analysis and DMA. The results confirmed that the glass transition temperature of the polymer is equal the nominal one and that, for temperatures lower than 200°C, the storage component of the Young’s modulus is dominating onto the loss component. From the DSC analysis, the specific heat capacity of the PEI was obtained up to 240 °C. Then, the polytherimide has been tested under compression at different temperatures and different 3D printing orientations. This material shows a compressive modulus higher than 1 GPa and yielding compressive stress ≈ 40 MPa at 200°C. To understand the feasibility of using the PEI for producing moulds, finite element analyses have been performed. With these simulations, the thermo-mechanical response of this material has been obtained under the typical operating conditions of an injection moulding process. Simple 1D and 2D simulations were set up simulating the effect of consecutive injection moulding cycles onto the mould temperature. The material properties inserted in the software to model the tooling material and the solidifying material were obtained from experimental characterization, technical datasheets, and two other software: one typically used to simulate the injection moulding process and the other for material selection. The simulations confirm that the PEI is a good candidate material and can withstand the operative conditions considered. On the contrary, for consecutive injection cycles, the temperature in the mould might become critical, especially on the cavity surface. In addition, the cooling time of the solidifying part obtained with polymeric moulds is much longer than the one obtained with metallic moulds. This leads to low productivity and prolonged times for which the injected material is at high temperatures, thus risking the possible thermal degradation of it. Finally, in case of applications that require strict tolerances and high holding pressure, polymeric moulds made with the polyetherimide are not competitive with respect to metallic moulds because of the lower mechanical stiffness. Therefore, the PEI can be considered a good tooling material for making prototypal moulds where the polymer is neither injected at very high temperature nor cooled down while a high holding pressure is present.

Nel campo delle tecnologie di lavorazione dei polimeri, lo stampaggio ad iniezione è una delle soluzioni produttive più diffuse. Gli stampi convenzionali per stampaggio a iniezione sono generalmente realizzati con acciai per utensili ottenuti mediante la lavorazione di un blocco di acciaio seguita da trattamenti termici e trattamenti di superficie. Gli utensili ottenuti sono caratterizzati da una lunga vita (centinaia di migliaia di cicli di stampaggio a iniezione) ma elevati costi (fino a centinaia di migliaia di euro). Inoltre, i tempi di produzione di questi utensili complessi possono essere di alcuni mesi. Nel caso di piccoli lotti di produzione (meno di 1000 parti) o produzione di prototipi (nella fase di progettazione), gli stampi convenzionali diventano anti-economici. In questo contesto, i Rapid Tools rappresentano una soluzione a questo problema e permettono alle aziende di ridurre i costi e i tempi di produzione. I Rapid Tools sono utensili ottenuti tramite tecnologie non convenzionali (tipicamente tramite stampa 3D) e possono essere anche realizzati con materiali non convenzionali (come i polimeri). Nella prima parte della tesi, è riportato lo stato dell’arte dello stampaggio a iniezione e del Rapid Tooling. Nella seconda parte della tesi, l’attenzione è focalizzata sui Rapid Tool metallici ottenuti tramite WAAM (Wire + Arc Additive Manufacturing). La tecnologia WAAM è stata considerata una buona candidata per via dell’elevato build-up rate (fino a qualche kg/ora), dei limitati costi operativi e di investimento e della possibilità di ottenere parti metalliche. Sono state stampate 3D tramite una macchina WAAM prototipale delle parti a parete sottile realizzate con un cavo di acciaio per saldatura. Le parti sono state ottenute variando alcuni parametri di processo e analizzando l’effetto di questi sulla forma del cordone di saldatura. I risultati hanno mostrato che, fino ad ora, la tecnologia WAAM non può essere considerata una tecnologia per produrre direttamente uno stampo per stampaggio a iniezione per via delle tolleranze geometriche ottenute: pertanto, è necessaria e obbligatoria un’operazione di finitura superficiale. Successivamente sono state eseguite prove di caratterizzazione tramite il microscopio a scansione elettronica e prove di micro-indentazione, senza mostrare particolari difetti metallurgici macroscopici tra diversi strati e tra il primo strato e la piastra metallica. Nella terza parte della tesi, la tecnologia FDM (Fused Deposition Modelling) è stata considerata una buona candidata per produrre inserti per stampaggio a iniezione per via della sua flessibilità, larga disponibilità di materiali in commercio, ampio know-how e possibilità di ottenere forme abbastanza complesse. Tra tutti i materiali commercialmente disponibili per FDM, è stata selezionata la polieterimmide (PEI) poiché sembra essere un buon compromesso tra costi e proprietà termo-meccaniche. In primo luogo la polieterimmide è stata caratterizzata con analisi di calorimetria a scansione differenziale e analisi dinamico-meccaniche. I risultati hanno confermato che la temperatura di transizione vetrosa è uguale a quella nominale e che, per temperature minori di 200 °C, la componente conservativa del modulo di Young è dominante sulla componente dissipativa. Dalle analisi di DSC è stato ottenuto il calore specifico della PEI fino a 240 °C. Successivamente la polieterimmide è stata testata in compressione a diverse temperature e diverse orientazioni di stampa 3D. Questo materiale mostra un modulo di compressione maggiore di 1 GPa e uno sforzo di snervamento in compressione di ≈ 40 MPa a 200 °C. Per capire la fattibilità di utilizzare la PEI per realizzare stampi, sono state effettuate delle analisi agli elementi finiti. Con queste simulazioni, è stata ottenuta la risposta termo-meccanica di questo materiale sotto delle condizioni tipiche di un processo di stampaggio a iniezione. Sono state impostate delle semplici simulazioni 1D e 2D simulando l’effetto di cicli di stampaggio a iniezione consecutivi sulla temperatura dello stampo. Le proprietà dei materiali inserite nel software per modellare il materiale dello stampo e il materiale che solidifica sono state ottenute da prove di caratterizzazione sperimentale, schede tecniche e da due altri software: uno tipicamente usato per simulare il processo di stampaggio a iniezione e l’altro per la selezione di materiali. Le simulazioni confermano che la polieterimmide risulta essere un buon materiale candidato e che può sopportare le condizioni operative considerate. Al contrario, per cicli di stampaggio a iniezione consecutivi, la temperatura nello stampo potrebbe diventare critica, specialmente sulla superficie della cavità. In aggiunta, il tempo di raffreddamento della parte che solidifica ottenuto con stampi polimerici è molto più lungo rispetto a quello ottenuto con stampi metallici. Ciò porta a bassa produttività e tempi prolungati per cui il materiale iniettato resta ad alte temperature, rischiando così di degradare termicamente. Infine, per applicazioni che richiedono tolleranze geometriche stringenti ed elevate pressioni di mantenimento, stampi polimerici realizzati con la polieterimmide non sono competitivi rispetto a stampi metallici per via della minor rigidezza meccanica. Pertanto, la PEI può essere considerata un buon materiale per realizzare stampi prototipali dove non sono iniettati polimeri ad elevata temperatura e lasciato raffreddare mentre è presente un’elevata pressione di mantenimento.