Toyota Adota Freeform Injection Molding para Otimizar Produção

Toyota, Nexa3D e J. Krebs & Co. prototipam um novo dispositivo eletroquímico.

Na primavera de 2024, a Toyota se uniu à Nexa3D e à pioneira em moldagem por injeção J. Krebs & Co. para desenvolver um protótipo de baixo volume de uma carcaça para um novo dispositivo eletroquímico. A promessa da moldagem por injeção de forma livre permitiu à Toyota a flexibilidade de alterar os designs sem a necessidade de fixar o design do molde.

As ferramentas utilizadas para impulsionar essa aceleração: moldes de injeção solúveis impressos em 3D.

Desafio

Prototipagem Rápida de Design para Carcaça com Inserções Metálicas Integradas

O projeto da Toyota foi baseado em inovações revolucionárias no campo da ciência dos materiais, e os requisitos enfrentados pela equipe de desenvolvimento foram definidos antecipadamente:"Fornecer um protótipo de montagem em três partes, incorporando grades metálicas de um metal específico, alojadas em compartimentos vedados contra água e resistentes às intempéries – e fabricar a montagem utilizando processos altamente escaláveis."\

Após um período de pesquisa e experimentação, a equipe da Toyota responsável pelo desenvolvimento descobriu a moldagem por injeção de forma livre (Freeform Injection Molding) da Nexa3D. Essa tecnologia permite que os fabricantes de moldes por injeção prototipem peças moldadas por injeção com a velocidade e a liberdade de design da manufatura aditiva. Ela tem sido utilizada por empresas de diversos setores para acelerar o desenvolvimento de produtos e apoiar lançamentos rápidos. Além disso, está disponível como um serviço de manufatura – um fator crucial para a equipe da Toyota.

"Através da FIM, conseguimos prototipar com moldagem por injeção em baixos volumes. Esse benefício único nos permitiu manter a flexibilidade na fase de design enquanto utilizávamos a tecnologia de moldagem por injeção, que será mais representativa para volumes maiores no futuro."

— Jason Fernandes, Engenheiro Sênior, Toyota Motor Europe

Solução

Overmolding com Moldes de Injeção Solúveis Impressos em 3D

O design da carcaça consistia em uma estrutura complexa em camadas, composta por uma carcaça plástica para garantir isolamento elétrico e inserções metálicas que desempenhavam a função de fornecer contato elétrico e permitir conexões modulares de ponta a ponta. A vedação contra água era um requisito essencial, levando a múltiplas adaptações no design ao longo das rodadas de criação de peças, e continua sendo um foco principal para o futuro.

Overmolding (sobremoldagem) é uma abordagem bem estabelecida na indústria de moldagem por injeção, especialmente quando é necessário combinar elementos metálicos e poliméricos. Entre os principais benefícios desse método estão:

• Integração firme dos elementos

• Alta estabilidade mecânica

• Ajustes precisos, que promovem altos níveis de vedação nativa contra água

  
  

A sobremoldagem dos conectores foi realizada com relativa facilidade e continua sendo uma característica essencial dessa técnica, pois permite a inserção de peças metálicas personalizadas dentro do molde.

Para o projeto da Toyota, uma grade metálica e dois conectores metálicos precisavam ser integrados em uma carcaça feita de um polímero de alta resistência e não condutivo, que também exigia excelente estabilidade contra intempéries e inércia química. Após consultas com especialistas da Nexa3D e da J. Krebs & Co., parceira de fabricação FIM envolvida no projeto, foi escolhido o PPS (sulfeto de polifenileno) com reforço de 45% em fibra de vidro como material para a carcaça. Como um dos principais objetivos do projeto era maximizar a compatibilidade ambiental, foi selecionado um grau reciclado do PPS fornecido pela empresa alemã Mocom para prototipagem e verificação.

Após a definição do método de fabricação, a equipe de design da J. Krebs & Co. desenvolveu o primeiro molde. Considerando o tamanho e a quantidade de peças a serem moldadas, a XiP Pro foi identificada como a impressora Nexa3D mais adequada para o trabalho. Para viabilizar o design do molde, que incluía diversas características complexas e múltiplos recortes internos, foi escolhida a resina de ferramentaria xMOLD. Essa resina já demonstrou sua capacidade de suportar altas pressões (até 110 bar) e temperaturas (até 340°C), permitindo a moldagem do PPS e de outros polímeros de alto desempenho. Como resultado, as peças prototipadas totalmente moldadas estavam disponíveis em menos de duas semanas após o início do projeto.

Benefícios

A prototipagem acelerada de uma montagem complexa de peças poliméricas incorporando múltiplos elementos metálicos sobremoldados é uma tarefa desafiadora em qualquer cenário. O design do molde e a aquisição dos elementos metálicos do protótipo precisaram ser realizados em paralelo, tornando a gestão da cadeia de tolerâncias ainda mais complexa.

Ao utilizar moldes metálicos tradicionais, é essencial garantir um encaixe extremamente preciso entre as partes metálicas e as interfaces do molde — algo difícil de alcançar em uma cadeia de suprimentos de prototipagem ainda imatura e operando sob prazos apertados. No entanto, a maior ductilidade dos moldes xMOLD, em comparação com a rigidez dos moldes metálicos convencionais, permitiu que a equipe de design inicialmente projetasse para máxima vedação do molde, possibilitando a moldagem bem-sucedida das peças de prova de conceito já na primeira iteração.

Além disso, o design do molde pôde ser atualizado de forma rápida e fácil, incorporando os aprendizados da primeira versão. Isso permitiu que o projeto evoluísse do conceito CAD para a verificação física com um nível muito baixo de risco e incerteza.

Principais vantagens da tecnologia xMOLD:

• Sem requisitos de pedido mínimo, pois os moldes podem ser impressos sob demanda. Na primeira iteração, dois moldes foram impressos, e a segunda injeção resultou em uma peça totalmente moldada de prova de conceito.

• Prototipagem com materiais finais, pois a resina xMOLD possui estabilidade mecânica e térmica necessária para a moldagem do PPS e de outros materiais de alto desempenho. Além disso, a forte isolação térmica da resina xMOLD reduz a perda de calor, permitindo que materiais semicristalinos como o PPS alcancem altos níveis de cristalinidade.

• Design de moldes simplificado, pois o material xMOLD é solúvel. Recursos da peça que normalmente exigiriam o uso de deslizadores, núcleos ou outras complexidades de moldagem podem ser facilmente implementados com elementos solúveis na fase de prototipagem.