تمهيد: تبلغ قيمة صناعة القولبة بالحقن السريعة النمو وشديدة المنافسة مئات مليارات الدولارات، ما يدفع المصنعين إلى طرق أكفأ وأقل تكلفة. وتساعد الطباعة ثلاثية الأبعاد، أو التصنيع بالإضافة، على صنع قوالب الحقن والأدوات أسرع وأرخص من العمليات التقليدية. تشرح هذه المقالة أسباب اختيار الطباعة ثلاثية الأبعاد للقوالب.

مزايا وعيوب قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية

كيف تطبع القوالب المعدنية ثلاثية الأبعاد؟

تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد على توسيع نطاق المواد المتاحة، وتستخدم التلبيد بالليزر لبناء الطبقات، وتحول الرسم باستخدام التصميم بمساعدة الحاسوب إلى منتج ثلاثي الأبعاد في نهاية المطاف.

ما هي مزايا القوالب المعدنية المحددة ثلاثية الأبعاد؟

تحسينات في تصميم القوالب تضيف المزيد من الوظائف إلى المنتجات النهائية

يمكن للطريقة المعدنية الخاصة المستخدمة في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد تعزيز البنية المجهرية المعدنية وإنشاء أجزاء مطبوعة كثيفة بالكامل. تتيح هذه الطريقة تكامل وظائف المنتج المعقدة، مما يسهل إنتاج منتجات نهائية عالية الوظائف بطريقة أكثر كفاءة مع عيوب أقل.

على سبيل المثال، تتأثر جودة الجزء المصبوب بالحقن إلى حد كبير بظروف نقل الحرارة بين المادة المحقونة وسائل التبريد الذي يدور عبر تركيبات الأدوات. وعادةً ما تتميز عمليات التصنيع التقليدية بقنوات مستقيمة لمادة التبريد، مما يؤدي إلى تأثير تبريد أبطأ وغير متساوٍ على الجزء المصبوب.

وعلى النقيض من ذلك، تسمح الطباعة ثلاثية الأبعاد بإنشاء قنوات تبريد بأي شكل مرغوب فيه، مما يضمن تبريدًا متوافقًا أكثر اتساقًا وتوحيدًا. وهذا بدوره ينتج عنه أجزاء ذات جودة أعلى ومعدلات خردة أقل. وعلاوة على ذلك، فإن التبديد السريع للحرارة يقلل بشكل كبير من وقت دورة القولبة بالحقن، حيث يشكل التبريد عادةً ما يصل إلى 701 تيرابايت في الثالثة من مدة الدورة بأكملها.

تحسين الأدوات لتكون أكثر راحة في الاستخدام وتحسين الحد الأدنى من الأداء

تقلل الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل كبير من عائق التحقق من صحة الأدوات الجديدة لتلبية الاحتياجات غير الملباة في التصنيع، مما يتيح إنشاء عدد أكبر من التجهيزات المتحركة والثابتة. ومن الناحية التاريخية، تم تصميم الأدوات والأجهزة ذات الصلة لزيادة طول العمر الافتراضي إلى أقصى حد، نظرًا للنفقات والجهود الكبيرة التي تنطوي عليها إعادة تصميمها وتصنيعها.

من خلال استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، تكتسب الشركات المرونة اللازمة لتجديد أي أداة في أي وقت، وليس فقط تلك التي تم التخلص منها لعدم تلبيتها للمتطلبات.

تتطلب الطباعة ثلاثية الأبعاد الحد الأدنى من الوقت والاستثمار الأولي، مما يجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة لتحسين الأدوات لتحقيق أداء هامشي متفوق. وبالتالي، يستطيع الفنيون إعطاء الأولوية لجوانب مثل بيئة العمل في تصميماتهم لتعزيز الراحة التشغيلية وتقليل مدة المعالجة وتحسين سهولة الاستخدام وسهولة التخزين. وعلى الرغم من أن هذه التحسينات قد لا تؤدي إلا إلى انخفاض هامشي في وقت عملية التجميع، إلا أنه لا ينبغي التقليل من الأثر التراكمي.

إضافةً إلى ذلك، يمكن لتحسين تصميم الأداة أن يقلل معدل خردة الأجزاء. الجودة نفسها مثل القوالب المشغلة؛ ويمكن صنع قنوات تبريد متوافقة؛ ويستخدم مواد خام أقل ويكون أسرع من القوالب المشغلة؛ ويمكن طباعة عدة إصدارات من القالب في وقت واحد؛ وله خيارات تطبيق أوسع تناسب المصنعين الخارجيين؛ ويمنع تسرب البيانات عبر حل داخلي لحماية الملكية الفكرية؛ وتتمتع الأجزاء المقولبة بالحقن بالجودة نفسها.

تسمح دورات الإنتاج الأقصر والقدرة على تصنيع أشكال هندسية أكثر تعقيدًا وانخفاض تكاليف التصنيع النهائية للشركات بإنشاء عدد كبير من الأدوات المخصصة لدعم تصنيع الأجزاء المخصصة.

وتساعد القوالب المخصصة على تخصيص المنتج النهائي، وتُعد قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد مفيدة جداً للإنتاج حسب الطلب، مثل المعدات الطبية والصناعة الطبية. ويمكنها تزويد الجراحين بأدوات مخصصة مطبوعة ثلاثية الأبعاد، مثل الأدلة والأدوات الجراحية، مما يسمح لهم بتحسين النتائج الجراحية وتقليل الوقت الجراحي.

ما هي عيوب قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية؟

قد تستغرق وقتًا أطول وتكلفة أعلى من التصنيع الآلي؛ وتتطلب وقتًا أطول للتصميم مقدمًا؛ وتتطلب مهارات أعلى. قد تظل المعالجة بعد التصنيع ضرورية لتلبية متطلبات الدقة، كما أن أحجام القوالب محدودة. تشمل المواد الأكثر استخدامًا الفولاذ المقاوم للصدأ وفولاذ الأدوات.

ما هي الأمثلة النموذجية لقوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية؟

بريجستون

صنع إطارات عالية الجودة لجميع الفصول. تقليدياً، كانت قوالب الإطارات تُصنع من خلال ربط الشرائط والكتل المعدنية يدوياً بنمط معين في قالب أساسي. وكانت المكونات المعدنية، بأشكالها الهندسية البسيطة، تُصنع باستخدام أدوات التصنيع التقليدية.

ومع ذلك، اعتمدت شركة بريجستون على التكنولوجيا المتطورة من خلال استخدام آلات SLM من الشركة الألمانية SLM Solutions لإنتاج قوالب معدنية مطبوعة ثلاثية الأبعاد. يمكّن هذا النهج المبتكر المهندسين من صناعة قوالب بأشكال وأنماط لم يكن من الممكن تحقيقها في السابق.

من خلال إعادة تصميم القوالب، يمكن تحسين أداء جر الإطارات دون المساس بطول عمر الإطار. وقد حققت شركة SLM Solutions إنجازاً رائعاً من خلال النجاح في طباعة قالب إطار فولاذي ثلاثي الأبعاد بسماكة 0.3 مم فقط عند أنحف نقطة. بريدجستون ليست عملاق الصناعة الوحيد الذي يستفيد من تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث تقدم ميشلان إطارات مصنعة باستخدام هذه التقنية المتقدمة منذ عام 2013.

حجامة Eplus3D

في الماضي، استخدم المصنعون القولبة بالحقن التقليدية لإنتاج كؤوس الحجامة، فكانت منخفضة الشفافية وكفاءة قولبتها بالحقن متدنية. والسبب الرئيسي هو أن قالب الحجامة المصنوع بتقنية CNC التقليدية لا يتيح سوى تصنيع قنوات تبريد رأسية، وهي لا تستطيع تبريد القالب بفعالية. أما قالب حقن كؤوس الحجامة المصنوع بطابعة EP-M250 SLM ثلاثية الأبعاد، فيتميز بقالب معدني ذي قناة تبريد مطابقة معقدة، صُنع باستخدام طابعة Eplus3D EP-M250 SLM ثلاثية الأبعاد.

تستغرق الحجامة النهائية 16.63 ثانية فقط للوصول إلى درجة حرارة الرش. ويعد هذا تحسنًا كبيرًا مقارنةً بالقوالب التقليدية التي تستغرق 22.97 ثانية، مما يؤدي إلى تقليل أكثر من 6 ثوانٍ وزيادة كفاءة الحقن بحوالي 26%.

ما هي تقنيات ومواد القوالب المعدنية؟

تكنولوجيا القوالب المعدنية تشمل بشكل رئيسي

الصهر الانتقائي بالليزر الانتقائي (SLM)

نهج في التصنيع الإضافي للمواد المعدنية. على الرغم من القدرة على تحقيق تفاصيل معقدة من خلال هذه العملية، لا تزال الآلات الإضافية هي السائدة. وفي الوقت الحالي، وبسبب اعتبارات التكلفة وسرعات المعالجة، من غير المرجح أن تحل الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد محل التصنيع الآلي لأدوات القولبة بالحقن بشكل كامل. وبدلاً من ذلك، فهي بمثابة مكمل يعزز كفاءة الإنتاج الكلي.

الترسيب المباشر للطاقة (DED)

ينشئ الليزر بركة منصهرة في منطقة الترسيب ويتحرك بسرعة عالية. وتُرسل المادة مباشرة إلى منطقة الصهر عالية الحرارة في صورة مسحوق أو خيط، ثم تُرسب طبقة بعد طبقة عقب الانصهار. تتيح هذه الطريقة تصنيع قوالب معدنية من مواد معدنية متنوعة. فعلى سبيل المثال، يمكن وضع طبقة علوية من الفولاذ المقاوم للصدأ فوق ركيزة من النحاس النقي للجمع بين الموصلية الحرارية العالية ومقاومة التآكل، وهما خاصيتان مطلوبتان في أدوات القولبة بالحقن.

تشمل مواد القوالب المعدنية بشكل رئيسي

ووفقًا لنوع المادة، يمكن تقسيم المواد المعدنية للطباعة ثلاثية الأبعاد إلى سبائك أساسها الحديد، وسبائك التيتانيوم والتيتانيوم، وسبائك أساسها النيكل، وسبائك الكوبالت والكروم، وسبائك الألومنيوم، وسبائك النحاس، والمعادن الثمينة.

سبيكة ذات أساس حديدي

السبائك القائمة على الحديد هي نوع من السبائك التي تمت دراستها في وقت سابق وبشكل أعمق في المواد المعدنية للطباعة ثلاثية الأبعاد. تشمل السبائك ذات الأساس الحديدي الأكثر استخدامًا فولاذ الأدوات، والفولاذ المقاوم للصدأ 316L، والفولاذ عالي السرعة M2، وفولاذ القالب H13، والفولاذ المخروطي 15-5PH، إلخ. تتميز السبائك القائمة على الحديد بتكلفة منخفضة، وصلابة عالية، وصلابة جيدة، وقابلية جيدة للتشغيل الآلي، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتصنيع القوالب.

تُعد الطباعة ثلاثية الأبعاد لقوالب قنوات المياه المطابقة أحد التطبيقات الرئيسية للسبائك القائمة على الحديد. يصعب معالجة قنوات المياه ذات الشكل الخاص بالعمليات التقليدية. ومع ذلك، يمكن أن تتحكم الطباعة ثلاثية الأبعاد في تخطيط قنوات التبريد لتكون متسقة بشكل أساسي مع هندسة التجويف، مما يمكن أن يحسن من توحيد مجال درجة الحرارة ويقلل بشكل فعال من عيوب المنتج ويزيد من عمر القالب.

التيتانيوم وسبائك التيتانيوم

لقد أصبح التيتانيوم وسبائك التيتانيوم مواد مثالية في مجالات الأجهزة الطبية والمعدات الكيميائية والفضاء والمعدات الرياضية نظراً لقوتها النوعية العالية الرائعة ومقاومتها الجيدة للحرارة ومقاومتها للتآكل وتوافقها الحيوي الجيد. ومع ذلك، عادةً ما تكون سبائك التيتانيوم مواد يصعب تصنيعها.

فهي تعاني من الإجهاد العالي ودرجة الحرارة المرتفعة والتآكل الشديد للأدوات أثناء المعالجة، وهو ما يحدّ من الاستخدام الواسع لسبائك التيتانيوم. تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مناسبة بشكل خاص لتصنيع التيتانيوم وسبائك التيتانيوم. أولاً، تتم الطباعة ثلاثية الأبعاد في بيئة جوية واقية. لا يتفاعل التيتانيوم بسهولة مع عناصر مثل الأكسجين والنيتروجين. كما يحدّ التسخين والتبريد السريع للمناطق الدقيقة من تطاير عناصر السبائك;

ثانيًا، يمكن تصنيع الأشكال المعقدة بدون معالجة القطع، كما أن معدل استخدام المواد على أساس المسحوق أو المواد السلكية مرتفع، مما لن يتسبب في إهدار المواد الخام ويقلل من تكاليف التصنيع بشكل كبير. في الوقت الحالي، تشمل أنواع التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد التيتانيوم النقي Ti وTi6A14V (TC4) وTi6A17Nb، والتي يمكن استخدامها على نطاق واسع في أجزاء الفضاء الجوي (الشكل 3) والزراعات الاصطناعية (مثل العظام والأسنان وغيرها).

مزايا وعيوب قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد البلاستيكية

كيف تطبع القوالب البلاستيكية ثلاثية الأبعاد؟

يتيح استخدام مواد متينة ومقاومة للحرارة مع طابعة بلاستيكية (أو طابعة بوليمر) ثلاثية الأبعاد للشركات إنتاج قوالب الحقن داخليًا أو شرائها بسرعة من مزود خدمة.

ما هي مزايا القوالب البلاستيكية للطباعة ثلاثية الأبعاد؟

تحسين الأدوات لتكون أكثر راحة في الاستخدام وتحسين الحد الأدنى من الأداء

تقلل الطباعة ثلاثية الأبعاد من العوائق التي تحول دون التحقق من صحة الأدوات الجديدة التي تلبي احتياجات التصنيع غير الملباة، مما يتيح دمج المزيد من التجهيزات المتحركة والثابتة في عمليات الإنتاج. وتقليدياً، تم تصميم الأدوات والمعدات ذات الصلة لتحقيق أقصى قدر من المتانة لتجنب التكاليف الكبيرة والعمالة المرتبطة بإعادة التصميم والإنتاج. وبفضل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن للشركات الآن تجديد أي أداة في أي وقت، ولا يقتصر الأمر على الأدوات التي تم التخلص منها واعتُبرت غير مناسبة.

منخفضة التكلفة

عادةً ما تكون الطرق التقليدية لإنتاج قوالب الحقن باهظة الثمن وتستغرق وقتاً طويلاً، حيث تتطلب آلات دقيقة وخبرة من صانع القوالب. من ناحية أخرى، توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة لإنتاج القوالب.

يمكن أن تكون القوالب المطبوعة مباشرةً من طابعة ثلاثية الأبعاد مناسبة للأجزاء منخفضة الحجم (تتراوح من 100 إلى أكثر من 10000، حسب المادة) ويمكن أن تصل تكلفتها إلى 901 تيرابايت 3 تيرابايت أقل من القوالب المعدنية. تبرز الطباعة البلاستيكية ثلاثية الأبعاد كطريقة تصنيع القوالب المفضلة عندما تكون المهل الزمنية القصيرة والتكاليف المنخفضة من الاعتبارات الرئيسية.

تفيد التقارير بأن قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد توفر حتى 80% من التكلفة مقارنة بالتقنيات التقليدية، وهي أسرع وأرخص من القوالب المعدنية. ويمكن طباعة إصدارات متعددة بالتزامن، ما يوسع الاستخدام ويفيد المصنعين المتعاقدين. كما يمنع الحل الداخلي تسرب البيانات ويحمي الملكية الفكرية مع الحفاظ على جودة القطع المصبوبة بالحقن.

تتطلب الطباعة ثلاثية الأبعاد خطوات أقل من التصنيع الآلي، حيث لا يتطلب الأمر سوى ستة أيام عمل في المتوسط لإكمال القالب والجزء. في الواقع، يمكن إكمال تصنيع القالب في أقل من بضع ساعات، مما يجعل العملية سريعة وفعالة.

يمكن الآن طباعة قوالب الحقن المعقدة ثلاثية الأبعاد باستخدام الراتنجات القابلة للذوبان والطابعات البلاستيكية (أو البوليمرية) ثلاثية الأبعاد والمواد المتينة والمقاومة لدرجات الحرارة. يتيح هذا التقدم للشركات إنتاج القوالب الخاصة بها داخل الشركة أو شرائها بسهولة من مزودي الخدمة.

ما هي عيوب القوالب البلاستيكية للطباعة ثلاثية الأبعاد؟

عادةً ما تُظهر القوالب البلاستيكية توصيلًا حراريًا أقل مقارنةً بالقوالب المعدنية، مما يؤدي إلى إطالة أوقات التبريد للأجزاء المصبوبة بالحقن. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تميل إلى التحلل بشكل أسرع من نظيراتها المعدنية، مما يستلزم في كثير من الأحيان عمليات ما بعد التصنيع لتحقيق الدقة الدقيقة. وعلاوة على ذلك، فإن القوالب البلاستيكية مقيدة بخيارات محدودة الحجم.

ما هي بعض الأمثلة النموذجية لقوالب الطباعة البلاستيكية ثلاثية الأبعاد؟

زيتار مولد

شركة Zetar Mold هي شركة قولبة بالحقن مقرها في شانغهاي، الصين، تقدم خدمات إنشاء القوالب السريعة وخدمات القولبة بالحقن على دفعات صغيرة. واستجابةً للطلب المتزايد على الإنتاج بكميات منخفضة، اعتمدت شركة Zetar Mold على تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء قوالب بلاستيكية فعالة من حيث التكلفة لإنتاج الطلبات الصغيرة بشكل أسرع. ومن خلال استكشافهم، اكتشفوا أن طابعة SLA ثلاثية الأبعاد من Formlabs، المقترنة بمادة الراتنج المملوءة بالزجاج Rigid 10K Resin من الشركة، كانت هي المطابقة المثالية لماكينة قولبة الحقن الصناعية Babyplast الخاصة بهم.

باستخدام Formlabs تستطيع Zetar Mold إنتاج قوالب حقن مطبوعة ثلاثيًا بسرعة. فبعد التصميم تطبع القالب وتعالجه لاحقًا خلال يوم واحد، ثم تركبه في الإطار المعدني القائم خلال 30 دقيقة لتبدأ عملية القولبة بالحقن فورًا. ورغم أن عمر القالب يقارب 100 استخدام، يمكن طباعة قوالب متعددة معًا للطلبات الأكبر.

طابعات Markforged ثلاثية الأبعاد لإنتاج قوالب بالحرارة. احتاجت الشركة إلى قالب متين مصنوع من الثرموسيت الحراري ليحل محل عملية السيليكون المكلفة التي يتم الاستعانة بمصادر خارجية لإنتاجها، بحيث يكون قادرًا على تحمل قوى التثبيت الكبيرة عند تعرضه لدرجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية.

نجحت شركة Markforged في إنشاء قالب في غضون 60 ساعة تقريبًا باستخدام طابعة X7 ثلاثية الأبعاد ومواد Onyx، بتكلفة حوالي $240T لكل قالب. وبالمقارنة، تطلبت قوالب السيليكون المشكّلة آليًا 144 ساعة لإنتاجها وتكبدت نفقات تبلغ حوالي $1,000T لكل قالب.

أديفاب

يمكن أن يؤدي إنتاج النماذج الأولية باستخدام نفس التصميم والمواد المستخدمة في المنتج النهائي إلى تعزيز وتسريع عملية اختبار النموذج الأولي بشكل كبير. تتخصص شركة Addifab، وهي شركة ناشئة مقرها في بلجيكا، في توفير قوالب مطبوعة ثلاثية الأبعاد لقولبة الحقن.

تقدم أديفاب مادة راتنج خاصة لقوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد التي يمكنها تحمل ضغوط حقن تصل إلى 2,500 بار ودرجات حرارة انصهار تصل إلى 450 درجة مئوية. وبعد ذلك، يذوب القالب تمامًا في محلول مائي قلوي في غضون 12 إلى 48 ساعة. تستخدم Addifab هذا الراتنج القابل للذوبان لطباعة قوالب الحقن ثلاثية الأبعاد.

استخدمت شركة Wilson Sporting Goods الرياضية مؤخرًا راتنج Addifab على طابعة Nexa3D NXE 400 كبيرة الحجم لإنتاج إصدارات متعددة من قوالب الحقن لمقابض مضرب البيسبول الجديدة بكفاءة.

ما هي مواد القوالب البلاستيكية؟

نايلون

خصائص المواد: يتميز النايلون بمقاومة درجات الحرارة العالية والمتانة الجيدة والقوة العالية. وبالمقارنة مع المواد الأخرى، يتميز النايلون بخصائص ممتازة مثل السيولة العالية، والكهرباء الساكنة المنخفضة، والامتصاص المنخفض للماء، ونقطة الانصهار المعتدلة، ودقة الأبعاد العالية للمنتجات.

كما تلبي مقاومته للكلال ومتانته احتياجات قطع العمل التي تتطلب خصائص ميكانيكية أعلى. وهو بلاستيك هندسي ومادة مثالية للطباعة 3D. التطبيقات الشائعة: العلب والأغلفة، والسلع الرياضية الاستهلاكية، والأجزاء البلاستيكية النموذجية المعقدة، والنماذج الأولية الشكلية أو التجميعية أو الوظيفية.

نايلون عالي الأداء

الخصائص الرئيسية: مادة قابلة للتشكيل ومرنة، تتميز بمتانة وأداء ومقاومة عالية للصدمات التطبيقات الشائعة: نماذج أولية مقاومة للصدمات، وأدوات توجيه، وتجهيزات تثبيت، وأنابيب وحاويات رقيقة الجدران، ومشابك كبس، وملاقط، ومفصلات.

راتنج حساس للضوء مستورد

خصائص المواد: تستخدم مواد الراتنج الحساسة للضوء على نطاق واسع بسبب نعومتها العالية ومتانتها. يمكن إخضاع الأجزاء المطبوعة بهذه المادة لعمليات ما بعد المعالجة مثل الطحن والتلميع والطلاء والرش والطلاء الكهربائي وطباعة الشاشة. يتشابه أداؤها مع البلاستيك الهندسي ABS. مع الدقة العالية والسطح الرقيق، يمكن استخدامه ليس فقط للأجزاء ذات المظهر، ولكن أيضًا للتحقق الهيكلي والتجميعي والوظيفي.

التطبيقات الشائعة: الأجهزة المنزلية، والتصنيع السريع، ونماذج النماذج الأولية، والمنتجات الإلكترونية، والتعليم والبحث العلمي، والنماذج المعمارية، والنماذج الفنية، وتصنيع السيارات وغيرها من المجالات.

الخاتمة

دفعت صناعة القولبة بالحقن سريعة النمو وشديدة التنافسية، التي تبلغ قيمتها مئات المليارات من الدولارات، الشركات المصنعة إلى البحث عن طرق أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة للبقاء في المقدمة.

تمكّن الطباعة ثلاثية الأبعاد، والمعروفة أيضًا باسم التصنيع بالإضافة، هذه الشركات من إنتاج قوالب وأدوات حقن فائقة الجودة بسرعة أكبر وبأسعار معقولة مقارنة بالعمليات التقليدية. يمكن القول بأن قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد تُحدث ثورة في صناعة تصنيع القوالب.

احصل على أسعار تنافسية وملاحظات DFM وجدول الإنتاج من فريق ZetarMold الهندسي.

اطلب عرض سعر مجاني ← راجع دليل القولبة بالحقن الشامل للحصول على نظرة متكاملة.