Einleitung: Etwa 80% der Kunststoffteile werden im Spritzgussverfahren hergestellt, das lange Zeit als einziges Massenproduktionsverfahren galt. Mit der Innovation der Industrietechnologie ist das Schnellspritzgießen nicht mehr die einzige Methode zur Entwicklung von Formen.

CAD/CAM/CAE-Systeme verkürzen die Entwurfs- und Prüfzeit. Darüber hinaus wurden neue Formenarten geschaffen. Aluminium-Spritzgussformen und 3D-Druckformen konkurrieren um den Herstellungsmarkt. Was ist der Unterschied zwischen ihnen? Welche Form wird Ihr Produkt effizienter machen?

Natürlich wollen Sie Prototypen schneller und billiger herstellen und so gut wie möglich aussehen. Vergleichen wir Aluminium und was sind die Unterschiede zwischen 3D-gedruckten Spritzgussformen.

3D-gedruckte Gussformen

Was ist eine 3D-gedruckte Form?

Beim 3D-Druck werden digitale Dateien verwendet, um dreidimensionale Objekte zu erstellen. Zunächst zerlegt die 3D-Computersoftware die Teile in digitale Schichten. Auf der Bauplattform trägt der Vorschubmechanismus das Material entsprechend den digitalen Schichten innerhalb eines bestimmten Bereichs auf, während die Wärmequelle die Form anpasst. Die Daten werden verarbeitet, um ein Modell zu erstellen, indem kontinuierlich Material hinzugefügt wird.

Welche Materialien werden für 3D-Druckformen verwendet?

3D-Druckmaterialien sind für die 3D-Drucktechnologie sehr wichtig. Die Materialien machen den 3D-Druck erst möglich. Derzeit werden für den 3D-Druck hauptsächlich technische Kunststoffe, lichtempfindliche Harze, Gummimaterialien, Metallmaterialien und Keramikmaterialien verwendet. Auch Lebensmittel wie farbiger Gips, künstliches Knochenmehl, zellbiologische Rohstoffe und Zucker werden für den 3D-Druck verwendet.

Diese Materialien werden speziell für 3D-Druckmaschinen und -verfahren hergestellt. Sie sind nicht wie normale Kunststoffe, Gips, Harze usw. Es gibt sie in verschiedenen Formen wie Pulver, Filament, Folie, Flüssigkeit usw. Die Partikelgröße der im 3D-Druck verwendeten Pulvermaterialien liegt in der Regel zwischen 1 und 100 Mikrometern, je nach Druckertyp und Druckbedingungen. Das Pulver muss wirklich rund sein, damit es gut fließt.

Was sind die Vorteile der Verwendung von 3D-gedruckten Gussformen?

  Flexibilität bei der Gestaltung

Beim 3D-Druck müssen Sie sich nicht um Dinge wie Vorrichtungen und Werkzeuginterferenzen kümmern. Sie können funktionsorientiert entwerfen, einschließlich Konvektionskanälen, integrierten Strukturen und komplexen Merkmalen. Außerdem können Sie die Form optimieren, um das Gewicht zu reduzieren, die Herstellung zu vereinfachen, die Materialausnutzung zu verbessern, Probleme mit schwer zu bearbeitenden Teilen zu lösen, Probleme mit der Verformung nach der Bearbeitung zu lösen und Formen zu schaffen, die mit herkömmlichen Methoden nicht hergestellt werden können.

Wirtschaftlichkeit der Kleinserienproduktion

Für den 3D-Druck werden keine Formen benötigt, und er erfordert keine Einspannung. Man muss nicht viele Teile herstellen, um teure Gussformen zu bezahlen. Sie können ein paar Teile oder sogar nur ein Teil herstellen. Die Wirtschaftlichkeit der Kleinserienfertigung kann die Kosten für Konstruktionsänderungen bei der Entwicklung von Zivilflugzeugen senken.

Gute Vorhersehbarkeit der Produktion

Sie können vorhersagen, wie lange der 3D-Druck eines Teils dauern wird und wie stark es sich auf der Grundlage des Entwurfs verformen wird. Sie können die Verformung vorhersagen und anpassen, indem Sie das Konstruktionsmodell ändern. Mit der Verbesserung der 3D-Drucktechnologie und der Unterstützungstechnologie können Sie steuern, wie lange der 3D-Druck eines Teils dauert, wie gut das Teil ist und wie genau das Teil ist. Das bedeutet, dass Sie die Form des Teils messen und kontrollieren können, wenn Sie ein Zivilflugzeug mit 3D-Druck entwerfen und herstellen.

Montage reduzieren.

Der 3D-Druck zur Herstellung integrierter Teile ersetzt Produkte, die aus vielen Teilen zusammengesetzt werden müssen. Dies spart den Transport, die Montage, das Anbringen von Befestigungselementen, das Schweißen und andere Prozesse, die bei mehreren Teilen anfallen. Außerdem werden die Kosten für die Herstellung von Teilen durch den Wegfall redundanter Produktionslinien gesenkt.

Schnell zu machen

In der frühen Entwurfsphase von Flugzeugen dauert es in der Regel nur ein paar Dutzend Stunden, von der Erstellung eines 3D-Modells am Computer bis zum fertigen Teil. Man muss nicht warten, bis eine Form hergestellt ist. Das bedeutet, dass Sie nicht warten müssen, bis eine neue Form hergestellt wird, wenn Sie die Form des Teils ändern. Sie können Änderungen an der Konstruktion des Teils schneller vornehmen und neue Teile schneller herstellen.

Welche Probleme gibt es bei der Verwendung des 3D-Drucks für die Herstellung von Gussformen?

Genauigkeit

Wenn die Genauigkeit der 3D-gedruckten Form nicht hoch ist, bilden sich Schichten auf der Oberfläche, die die Verwendung der Form beeinträchtigen. Später ist eine mechanische Bearbeitung oder Sandstrahlen erforderlich, um diese Schichten zu entfernen.

Materielle Einschränkungen

Technisch gesehen unterscheidet sich die Methode des schichtweisen Aufbaus von Teilen aus Werkstoffen vom herkömmlichen Schmieden oder Gießen. Die Mikrostruktur, die Art der Defekte, die Eigenspannungen, die Prüfbarkeit, die Anforderungen an die Nachbearbeitung sowie die strukturelle Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der hergestellten Werkstoffe unterscheiden sich von denen der traditionellen Verfahren.

Bei komplexen Bauteilen entsprechen die Konstruktionswerte für das Material möglicherweise nicht der tatsächlichen Leistung der Struktur, und es muss überprüft werden, ob sich das Material und der Prozess gemeinsam auf die strukturelle Leistung auswirken, indem strukturelle Tests durchgeführt werden, die über die Ebene des Prüfstücks hinausgehen.

Begrenzte Fehlererkennung

Das Herstellungsverfahren des 3D-Drucks ist komplex zu steuern. Er verwendet schichtweise Fertigungsverfahren und schichtweise Fertigungsverfahren. Die Qualität der Verbindungen zwischen den Schichten kann nicht so einheitlich sein wie bei Präzisionsschmiedeteilen.

Die 3D-Drucktechnologie ist durch die ihr innewohnenden Formgebungsprinzipien begrenzt. Mit der 3D-Drucktechnologie hergestellte Teile, insbesondere Metallteile, weisen interne Fertigungsfehler auf, zu denen hauptsächlich Hohlräume, Mikrorisse, schlechtes Schmelzen und andere Fehler gehören.

Die Größe dieser Defekte liegt in der Regel unter 20 μm und damit unter dem Schwellenwert allgemeiner zerstörungsfreier Prüfverfahren. Diese Defekte sind Quellen für die Entstehung von Rissen, die die Ermüdungsleistung der Struktur ernsthaft beeinträchtigen.Präzisionskontrolle ist schwierig Beim 3D-Druckverfahren gibt es viele Faktoren, die sich auf die Qualität des Prozesses auswirken, von der Soft- und Hardware des Geräts selbst bis hin zu den Formwerkstoffen und Formverfahren.

Die technische Praxis zeigt, dass die wichtigsten Faktoren, die die Genauigkeit des 3D-Drucks beeinflussen, die mechanische Steuerung, die Modelldatenverarbeitung, die Materialeigenschaften und die Steuerung der Formgebungsparameter sind. Diese Faktoren steuern die Menge des hinzugefügten Materials, die Größe der 3D-Druckeinheit und die Genauigkeit der Systembewegung, die die Genauigkeit des Teils in der Akkumulationsrichtung und die minimale Feature-Fertigungsfähigkeit des Teils bestimmen.

Um die Genauigkeit des 3D-Drucks zu verbessern, muss die Menge des hinzugefügten Materials verringert, die Größe der 3D-Druckeinheit kontrolliert und die Genauigkeit der Systembewegung verbessert werden. Diese Fähigkeiten sind jedoch in der kurzfristigen Forschung nur schwer weiter zu verbessern.

Aluminium-Formen

Was sind die Merkmale von Aluminiumwerkzeugen?

Die Hauptmerkmale von Aluminiumformen sind geringes Gewicht, hohe Belastbarkeit und hohe Umschlagzeiten. Während des Bauprozesses zeichnen sie sich durch hohe Bauqualität, Präzision, Stabilität, einfache Installation und kurze Bauzeiten aus, die Kosten sparen können.

Sie haben folgende Nachteile: Wartung und Anpassung vor Ort sind nicht möglich, und eine vollständige Konfiguration ist erforderlich. Sie lassen sich schlecht an strukturelle Änderungen anpassen, und die Kosten für Projekte mit vielen Änderungen sind hoch. Wenn die Oberflächenbehandlung nicht gut ist, reagiert die Aluminiumlegierung chemisch mit dem Beton, was das Aussehen des Betons beeinträchtigt. Die Befestigungselemente von Aluminiumformen sind anfällig für Konflikte mit der Rohrleitungsführung.

Was sind die Vorteile von Aluminiumwerkzeugen?

Große funktionale Leistung

Einige Prototypen haben keine mechanischen oder funktionalen Auswirkungen, während andere verwendet werden müssen. Vorproduktions-, Hybrid- und Funktionsprototypen arbeiten. Deshalb brauchen Sie eine gute Qualität und Festigkeit. Aluminium ist das Metall der Wahl, weil es hervorragende Eigenschaften hat.

Höhere Hitzebeständigkeit

Prototypen aus Aluminium können extremen Temperaturen besser standhalten als billigere Alternativen wie Kunststoff. Es ist also weniger wahrscheinlich, dass es während des Herstellungsprozesses beschädigt wird.

Bessere Ästhetik

Egal, ob Sie 3D-Druck oder CNC-Bearbeitungstechnologie verwenden, Prototypen aus Metall sehen besser aus. Und selbst als nicht funktionsfähiger Prototyp sieht er besser aus als ein Kunststoffteil.

Kosten-Wirksamkeit

Aluminiumprototypen und Metallteile sind im Vergleich zu Kunststoffteilen viel billiger. Das liegt daran, dass die physikalischen Eigenschaften von Metall die Häufigkeit des Austauschs von Teilen verringern. Dadurch werden die Herstellungskosten langfristig gesenkt.

Genauigkeit der Prüfung

Prototypen, die mit Verfahren wie der CNC-Bearbeitung hergestellt werden, weisen eine hohe Präzision auf. Darüber hinaus haben Aluminiumlegierungen eine ausgezeichnete Qualität und können Teile für die Marktprüfung herstellen.

Besser geeignet für die Massenproduktion

Sobald die Ingenieure einen Aluminium-Prototyp erstellt haben, können die Kunden ihn für die Produktion verwenden. Es ist einfacher, Prototypen aus Metall in fertige Produkte umzuwandeln. Wenn der Prototyp jedoch aus Kunststoff besteht, kann er nicht für die Massenproduktion in Metall umgewandelt werden.

Was sind die Beschränkungen von Aluminiumformen?

Begrenzte Nutzungsdauer

Aufgrund ihrer weicheren Beschaffenheit haben Aluminiumformen eine begrenzte Lebensdauer, insbesondere wenn sie Hochdruckumformungsprozessen oder abrasiven Materialien ausgesetzt sind.

Hitzebeständigkeit

Aluminium hat eine geringere Hitzebeständigkeit. Diese Einschränkung kann die Arten von Materialien einschränken, die während des Formprozesses verwendet werden können, da einige Materialien höhere Temperaturen erfordern, als Aluminium aushalten kann.

Der Unterschied zwischen 3D-Druck und Aluminiumwerkzeugen

Was sind die Unterschiede zwischen 3D-Druck und Aluminiumformen?

Herstellungs- und Formgebungsverfahren

Die Herstellungs- und Formgebungsverfahren der beiden sind unterschiedlich. Die 3D-Drucktechnologie ist eine Technologie, bei der klebende Materialien wie Metall- oder Kunststoffpulver verwendet werden, um Objekte Schicht für Schicht zu drucken und zu konstruieren. Sie wird mit einem Materialdrucker mit digitaler Technologie realisiert. Durch Anhäufung und Addition von Stück für Stück wird das endgültige Werk gedruckt. Bei der Herstellung von Aluminiumformen wird eine 3D-Modellierungssoftware verwendet, um die Form zu zeichnen, und die Formwirkung wird durch ständige Anpassungen erzielt.

Genauigkeit der Präzision

Die Präzisionsgenauigkeit der beiden Verfahren ist unterschiedlich. Die Genauigkeit des 3D-Drucks hängt von vielen Faktoren ab. Die Genauigkeit des 3D-Druckers, die Qualität der ausgewählten Materialien und die Genauigkeit der 3D-Modellzeichnungen bestimmen die Genauigkeit des Produkts. Die Präzisionsgenauigkeit von Aluminiumformen hängt hauptsächlich von den tatsächlichen Bedürfnissen des Benutzers ab, um die Präzision zu bestätigen.

Durchlaufzeit

Die Durchlaufzeit ist die Zeit zwischen dem Beginn der Werkzeugentwicklung und dem Zeitpunkt, an dem das Teil für die Produktion bereit ist. Die Konstruktionsmethoden und Berechnungen für die beiden Formen sind eigentlich unterschiedlich, aber in der Herstellungsphase kommt es zu wesentlichen Änderungen.

Aluminiumformen werden aus Aluminiumrohlingen durch CNC-Bearbeitung und Endbearbeitung hergestellt. In einigen Fällen ist eine zusätzliche Funkenerosion (EDM) erforderlich, wenn der Hohlraum scharfe Ecken haben muss, die durch Fräsen nicht erreicht werden können. In der Regel erfolgt die Bearbeitung hauptsächlich mechanisch, eine Wärmebehandlung ist nicht erforderlich, und es werden fast keine Spezialwerkzeuge benötigt. Eine durchschnittliche Aluminiumform wird in 10 bis 15 Tagen hergestellt.

3D-gedruckte Formen werden mit einem additiven Fertigungsverfahren durch Sintern von Metall hergestellt. Viele feine Metallpulver werden Schicht für Schicht zusammengesintert, um den Hohlraum einer Spritzgussform zu bilden. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es wenig Fertigungsvorbereitung erfordert und keine Werkzeuge benötigt werden. Die durchschnittliche Zeit für die Herstellung einer solchen Form beträgt nur 2-3 Tage.

Stabilität

Die Stabilität gibt im Grunde an, wie viele Teile eine Form herstellen kann, bevor sie zu alt wird. Wichtig zu wissen, wenn Sie eine Charge eines Produkts herstellen wollen.

Aluminiumwerkzeuge werden aus weicheren Materialien hergestellt, aber einige Aluminiumlegierungen sind sehr stabil. Das bedeutet, dass die Form bis zu 5.000 Teile herstellen kann. Der Durchschnitt liegt bei 100-2000 Exemplaren.

Bei 3D-gedruckten Formen ist die Stabilität am schlechtesten. Es gibt eine Menge Probleme mit Sinterkammern. Sie sind porös und nicht so stabil wie ein fester Rohling. Mit 3D-gedruckten Hohlräumen können Chargen von 50 bis 200 Teilen hergestellt werden.

Zykluszeit

Die Zykluszeit ist die Zeit, die für die Herstellung eines Teils benötigt wird. Sie ist die Summe aus Einspritzzeit, Abkühlzeit und Ausstoßzeit. Die Einspritzzeit ist die Zeit, die benötigt wird, um die Form mit Kunststoff zu füllen. Die Abkühlzeit ist die Zeit, die der Kunststoff benötigt, um abzukühlen und zu erstarren. Die Ausstoßzeit ist die Zeit, die benötigt wird, um das Teil aus der Form zu entfernen.

Aluminiumformen haben eine Zykluszeit von 44-70 Sekunden. Das ist ziemlich beeindruckend, wenn wir über Tausende von Teilen sprechen. 3D-gedruckte Formen haben eine Zykluszeit von 150-250 Sekunden.

Teilegenauigkeit und Oberflächengüte

Die Qualität der Teile ist einer der wichtigsten Faktoren. Schließlich wird dieses Teil als integraler Bestandteil eines größeren Mechanismus dienen und möglicherweise zukünftigen Investoren präsentiert werden. Das Teil muss professionell aussehen.

Die Genauigkeit von Aluminiumspritzgussformen hängt nur von der Fähigkeit ab, sie zu bearbeiten und zu polieren. Die Genauigkeit von 3D-gedruckten Formen hängt jedoch vom additiven Fertigungsverfahren ab. Bei der additiven Fertigung werden die Materialien geschmolzen und abgekühlt, und thermische Verformungen können die Genauigkeit erheblich beeinträchtigen. Mit moderner Technologie können Stahl- und Aluminiumformen mit Toleranzen von bis zu IT6 sowie 3D-gedruckte Formen mit Toleranzen von bis zu IT9 hergestellt werden.

Flexibilität

Flexibilität ist bei Prototypen in der Vorserie von entscheidender Bedeutung, wenn Sie nur testen wollen, wie das Endprodukt aussehen und funktionieren wird. Sobald Sie die ersten Prototypen mit bestimmten Materialien hergestellt haben, müssen Sie die Materialien, die Sie ursprünglich für Ihr Produkt ausgewählt haben, sowie Ihre Herstellungsverfahren testen.

Meistens werden Sie auf Probleme stoßen, die Sie zu einer Änderung des Entwurfs zwingen. Zum Beispiel wurden während der laufenden Tests einige Defekte entdeckt oder der Spritzgussprozess führte zu porösen Teilen. In diesem Fall müssen Sie sowohl den Entwurf als auch die Form ändern. Verschiedene Formmaterialien haben unterschiedliche Flexibilität

Aluminiumformen werden aus weicheren Materialien hergestellt, und ihre Kavitäten werden in der Regel als separate Teile gefertigt, die in den Formboden passen. Daher ist es viel einfacher, die Kavität zu entfernen und Anpassungen vorzunehmen.

Die Modifizierung von 3D-gedruckten Formen ist schwierig, da Teile der Kavität bearbeitet werden müssen und die Oberflächenbeschaffenheit ungleichmäßig ist, da die Bearbeitung eine bessere Oberflächenbeschaffenheit ergibt. Einfacher ist es, die Form komplett neu anzufertigen, was nicht viel Zeit in Anspruch nimmt, aber den unerwünschten Mehraufwand für das Prototyping und Vorserientests mit sich bringt.

Schlussfolgerung

Ursprünglich als Methode für das Rapid Prototyping, auch bekannt als additive Fertigung, entwickelt sich der 3D-Druck zu einem echten Fertigungsverfahren. 3D-Drucker ermöglichen Ingenieuren und Unternehmen die gleichzeitige Herstellung von Prototypen und Endprodukten und bieten damit erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zu den Hauptunterschieden zwischen 3D-gedruckten Formen und Aluminiumformen unterschiedliche Herstellungsverfahren, unterschiedliche Festigkeitsgenauigkeit, unterschiedliche Durchlaufzeiten, unterschiedliche Stabilität, unterschiedliche Herstellungszeiten, unterschiedliche Teilegenauigkeit und Oberflächengüte sowie unterschiedliche Flexibilität gehören.