Thermal performance optimization of injection mold inserts through additive manufacturing and conformal cooling design

This thesis, developed at Politecnico di Milano in collaboration with (Company), investigates the redesign of an injection mold insert with additive manufacturing technologies. The existing solution uses a Moldmax HH insert with traditional U-form cooling channels produced by drilling. Although effective, this conventional machining technique limits the complexity of cooling channel geometries, restricting the cooling efficiency of the mold. The main objective of this work is to illustrate the potential of utilizing additive manufacturing for the fabrication of injection mold inserts that allow the implementation of conformal cooling channels not achievable with traditional manufacturing. A new insert design with conformal cooling channels was created and investigated through finite element simulations of transient thermal behavior in order to compare and judge the cooling performance of the new configuration with respect to the traditional one. The simulation for the analysis of the newly created insert with conformal cooling channels reveals that, although the materials with lower thermal conductivity are employed, the insert produced by additive manufacturing with conformal cooling channels extracts heat better and presents a better temperature distribution, yielding a better thermal performance of the injection molding process.

Il presente elaborato di tesi, sviluppato presso il Politecnico di Milano in collaborazione con l’industria, analizza la riprogettazione di un inserto per stampo a iniezione attraverso tecnologie di additive manufacturing. La soluzione attualmente in uso prevede un inserto in Moldmax HH dotato di canali di raffreddamento convenzionali a forma di U, realizzati tramite foratura. Tuttavia, le tecniche di lavorazione convenzionali limitano significativamente la complessità e l’efficacia dei circuiti di raffreddamento. L’obiettivo principale di questo lavoro è dimostrare la fattibilità dell’utilizzo dell’additive manufacturing per la produzione di inserti per stampi a iniezione, consentendo la realizzazione di canali di raffreddamento conformati, impossibili da ottenere con le lavorazioni tradizionali. È stato quindi sviluppato un nuovo design dell’inserto con canali di raffreddamento conformati e ne sono state valutate le prestazioni termiche tramite simulazioni termiche transitorie agli elementi finiti, confrontandole con la configurazione convenzionale. I risultati delle simulazioni evidenziano che, nonostante l’utilizzo di materiali con conducibilità termica inferiore, l’inserto prodotto in additive manufacturing con canali conformati garantisce un migliore smaltimento del calore e una distribuzione termica più uniforme, migliorando le prestazioni complessive del processo di stampaggio a iniezione.