Design and manufacturing of hybrid high thermal conductive multi-material parts for the plastic injection moulds industry

Abstract

Um dos principais desafios da indústria da moldação por injeção de plásticos está relacionado com o elevado tempo de arrefecimento após o ciclo de injeção. Este problema leva à diminuição da capacidade de produção e a um consequente aumento do custo associado ao processo e aos componentes finais. Nos últimos anos, a competitividade e o aumento da procura de um processo mais eficiente impulsionaram a investigação de novas abordagens relativas ao design e à utilização de diferentes materiais. No entanto, atualmente ainda não é possível combinar o efeito dos canais de arrefecimento e materiais de elevada condutividade térmica sem afetar a vida útil e as propriedades do molde. Idealmente, um molde de injeção de plásticos deve exibir propriedades mecânicas adequadas para suportar as tensões cíclicas (mecânicas e térmicas) inerentes ao processo, ser resistente à corrosão e ao desgaste provocados pelo contacto constante com o material a ser injetado e ter elevada condutividade térmica para tornar o arrefecimento mais eficiente, diminuindo o tempo de ciclo. Neste sentido, esta tese de doutoramento foca-se no desenvolvimento e na produção de componentes multi-funcionais multi-material com o intuito de superar os problemas acima referidos e assim aumentar a performance dos moldes de injeção de plásticos. Para tal, desenvolveram-se soluções que envolvem a combinação de diferentes técnicas de fabricação de ponta e materiais capazes de preservar as características de um molde convencional e melhorar significativamente a sua capacidade térmica. Deste modo, foram produzidas soluções multi-material à base de aço inoxidável 420-cobre. Esta abordagem visa adicionar novas funções a estes moldes ao introduzir conceitos como propriedades mecânicas aliadas a uma adequada performance térmica. Estas soluções foram caraterizadas quanto ao seu desempenho termo-mecânico, demonstrando uma combinação de propriedades adequadas para criar uma solução efetiva a longo prazo, de acordo com as especificações locais.

One of the main challenges in the plastic injection moulding industry is related to the long cooling time after the injection cycle. This problem leads to a decrease in production capacity and a consequent increase in the cost associated with the process and final components. In the last few years, competitiveness and the increased demand for a more efficient process boosted the research on new approaches to the design and use of different materials. However, currently, it is not yet possible to combine the effect of the cooling channels with materials of high thermal conductivity without affecting the lifetime and properties of the mould. Ideally, a plastic injection mould should display suitable mechanical properties to withstand the cyclic mechanical and thermal stresses inherent to the process, be resistance to corrosion and wear due to constant contact with the material to be injected, and have high thermal conductivity to make cooling more efficient, reducing the cycle time. In this sense, this PhD thesis is focused on the development and production of multi-functional multi-material components to overcome all the above-mentioned issues and to increase the performance of the plastic injection moulds. For that purpose, solutions have been developed that involve the combination of different cutting-edge fabrication techniques and materials capable of preserving the characteristics of a conventional mould and significantly improving its thermal capacity. Hence, multi-material solutions based on 420 stainless steel-copper were produced. This approach aims to add new functions to these moulds by introducing concepts like mechanical properties allied to suitable thermal performance. These solutions were characterised by their thermo-mechanical performance, showing a suitable combination of properties to create a long-term and effective solution according to local requirements.