Voorwoord: De snelgroeiende en zeer competitieve spuitgietindustrie is honderden miljarden dollars waard, waardoor fabrikanten op zoek zijn naar efficiëntere en goedkopere methoden om de concurrentie voor te blijven. 3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, helpt fabrikanten om sneller en goedkoper betere spuitgietmatrijzen en gereedschappen te maken dan met traditionele processen. In dit artikel wordt vooral uitgelegd waarom je zou moeten kiezen voor 3D printen voor mallen.

Voor- en nadelen van 3D-printen van metalen mallen

Hoe 3D-Moulds printen?

3D-printen breidt de reeks beschikbare materialen uit, maakt gebruik van lasersintering om lagen op te bouwen en transformeert de CAD-tekening in het ultieme driedimensionale product.

Wat zijn de voordelen van 3D-gedefinieerde metalen mallen?

Verbeteringen in matrijsontwerp voegen meer functionaliteit toe aan eindproducten

De speciale metallurgische methode die wordt toegepast bij metaal 3D printen kan de microstructuur van het metaal verbeteren en volledig dicht geprinte onderdelen maken. Deze methode maakt de integratie van complexe productfuncties mogelijk, waardoor de productie van zeer functionele eindproducten op een efficiëntere manier en met minder defecten mogelijk wordt.

De kwaliteit van een spuitgietproduct wordt bijvoorbeeld sterk beïnvloed door de warmteoverdracht tussen het geïnjecteerde materiaal en de koelvloeistof die door de gereedschapopstelling circuleert. Traditionele fabricageprocessen hebben meestal rechte kanalen voor het koelmateriaal, wat leidt tot een langzamer en ongelijk koeleffect op het spuitgietproduct.

3D-printen daarentegen maakt het mogelijk om koelkanalen in elke gewenste vorm te maken, wat zorgt voor een gelijkmatige koeling die meer geoptimaliseerd en uniform is. Dit resulteert op zijn beurt in onderdelen van hogere kwaliteit en lagere uitvalpercentages. Bovendien vermindert de snellere warmteafvoer de cyclustijd van het spuitgieten aanzienlijk, aangezien koeling meestal tot 70% van de hele cyclusduur uitmaakt.

Gereedschap optimaliseren voor meer ergonomie en betere minimale prestaties

3D-printen verlaagt de drempel voor het valideren van nieuwe gereedschappen voor onvervulde behoeften in de productie aanzienlijk, omdat een groter aantal bewegende en vaste opspanningen kan worden gemaakt. In het verleden werden gereedschappen en aanverwante apparaten ontworpen met het oog op een maximale levensduur, gezien de aanzienlijke kosten en inspanningen die gemoeid waren met het herontwerpen en produceren ervan.

Door gebruik te maken van 3D printtechnologie krijgen bedrijven de flexibiliteit om elk gereedschap op elk moment op te knappen, niet alleen gereedschap dat is afgedankt omdat het niet aan de eisen voldeed.

3D-printen vergt minimale tijd en initiële investeringen en maakt het kosteneffectiever om gereedschap te verbeteren voor superieure marginale prestaties. Daardoor kunnen technici in hun ontwerpen prioriteit geven aan aspecten zoals ergonomie om het bedieningscomfort te verhogen, de bewerkingsduur te verkorten en de gebruiksvriendelijkheid en het opslaggemak te verbeteren. Hoewel deze verbeteringen misschien slechts resulteren in een marginale verkorting van de assemblagetijd, moet het cumulatieve effect niet onderschat worden.

Daarnaast kan het optimaliseren van het gereedschapontwerp ook het uitvalpercentage van onderdelen verminderen. Dezelfde kwaliteit als bewerkte matrijzen; kan conforme koelkanalen maken; gebruikt minder grondstoffen en is sneller dan bewerkte matrijzen; kan meerdere matrijsversies tegelijk printen; heeft hogere toepassingsmogelijkheden, geschikt voor outsourcing fabrikanten; voorkomt gegevenslekkage, interne oplossing om intellectueel eigendom te beschermen; spuitgegoten onderdelen dezelfde kwaliteit hebben.

Kortere productiecycli, de mogelijkheid om complexere geometrieën te maken en lagere uiteindelijke productiekosten stellen bedrijven in staat om een groot aantal gepersonaliseerde gereedschappen te maken om de productie van op maat gemaakte onderdelen te ondersteunen.

Aangepaste mallen helpen bij het aanpassen van het eindproduct, en 3D-printmallen zijn zeer nuttig voor aangepaste productie, zoals medische apparatuur en de medische industrie. Het kan chirurgen voorzien van 3D-geprinte gepersonaliseerde instrumenten, zoals chirurgische gidsen en instrumenten, waardoor ze de chirurgische resultaten kunnen verbeteren en de operatietijd kunnen verkorten.

Wat zijn de nadelen van 3D-Moulds printen?

Duurt mogelijk langer en kost meer dan machinale bewerking; vereist meer ontwerptijd vooraf; en vereist hogere vaardigheden. Nabewerking kan nog steeds nodig zijn om aan de nauwkeurigheidseisen te voldoen en de matrijsmaten zijn beperkt. De meest gebruikte materialen zijn roestvrij staal en gereedschapsstaal.

Wat zijn de typische voorbeelden van 3D Printing metalen mallen?

Bridgestone

Hoogwaardige vierseizoenenbanden maken. Traditioneel werden bandenmallen gemaakt door handmatig stroken en metalen blokken in een specifiek patroon aan een basismal te bevestigen. De metalen onderdelen, met hun eenvoudige geometrieën, werden vervaardigd met conventionele bewerkingsgereedschappen.

Bridgestone heeft echter de nieuwste technologie omarmd door SLM-machines van de Duitse fabrikant SLM Solutions te gebruiken om 3D-geprinte metalen mallen te maken. Deze innovatieve aanpak stelt ingenieurs in staat om mallen te maken met vormen en patronen die voorheen onbereikbaar waren.

Door de mallen opnieuw te ontwerpen, kunnen de tractieprestaties van de band worden verbeterd zonder dat dit ten koste gaat van de levensduur van de band. SLM Solutions heeft een opmerkelijke prestatie geleverd door met succes een stalen bandmal met een dikte van slechts 0,3 mm op het dunste punt te 3D-printen. Bridgestone is niet de enige industriegigant die gebruik maakt van 3D-printtechnologie; Michelin biedt al sinds 2013 banden aan die met deze geavanceerde techniek zijn gemaakt.

Eplus3D Cupping

In het verleden gebruikten fabrikanten traditionele spuitgiettechnieken om cupping cups te produceren met een lage transparantie en een laag spuitgietrendement. De belangrijkste reden hiervoor is dat de cupping mal die geproduceerd wordt met traditionele CNC-technologie alleen verticale koelkanalen kan verwerken, waardoor de mal niet effectief gekoeld kan worden. De cupping spuitgietmatrijs geproduceerd door de EP-M250 SLM 3D-printer heeft een complexe metalen matrijs met conforme koelkanalen, geproduceerd met de Eplus3D EP-M250 SLM 3D-printer.

De uiteindelijke cupping heeft slechts 16,63 seconden nodig om de spuittemperatuur te bereiken. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van traditionele mallen die er 22,97 seconden over doen, wat resulteert in een vermindering van meer dan 6 seconden en een verhoging van de injectie-efficiëntie met ongeveer 26%.

Wat zijn de metaalvormtechnologieën en -materialen?

De metaalvormtechnologie omvat hoofdzakelijk

Selectief lasersmelten (SLM)

benadering in de additieve vervaardiging van metalen materialen. Ondanks de mogelijkheid om met dit proces ingewikkelde details te bereiken, blijft machinale bewerking nog steeds gangbaar. Op dit moment is het vanwege kostenoverwegingen en verwerkingssnelheden onwaarschijnlijk dat metaal 3D printen het machinaal bewerken van spuitgietgereedschap volledig zal vervangen. In plaats daarvan dient het als aanvulling die de efficiëntie van de totale productie verbetert.

Directe energieafzetting (DED)

De laser creëert een smeltbad in het depositiegebied en verplaatst het met hoge snelheid. Het materiaal wordt in de vorm van poeder of gloeidraad direct in het smeltgebied op hoge temperatuur gestuurd en na het smelten laag voor laag afgezet. Deze methode maakt metalen mallen mogelijk voor een verscheidenheid aan metalen materialen. Er kan bijvoorbeeld een toplaag van roestvrij staal over een zuiver koperen substraat worden aangebracht om een hoge thermische geleidbaarheid te combineren met slijtvastheid, eigenschappen die nodig zijn in spuitgieten gereedschap.

De materialen van de metaalvorm omvatten hoofdzakelijk

Volgens het type materiaal kunnen 3D-printmetaalmaterialen worden onderverdeeld in ijzerlegeringen, titanium en titaniumlegeringen, nikkellegeringen, kobalt-chroomlegeringen, aluminiumlegeringen, koperlegeringen en edelmetalen.

Legering op basis van ijzer

Op ijzer gebaseerde legeringen zijn een type legering dat eerder en dieper is bestudeerd voor 3D printen van metalen materialen. De meest gebruikte ijzerlegeringen zijn gereedschapstaal, 316L roestvrij staal, M2 snelstaal, H13 gietstaal en 15-5PH maraging staal, enz. Op ijzer gebaseerde legeringen hebben lage kosten, een hoge hardheid, een goede taaiheid en een goede bewerkbaarheid, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor het maken van matrijzen.

3D printen van conforme waterkanaalmallen is een belangrijke toepassing van ijzerlegeringen. Speciaal gevormde waterkanalen zijn moeilijk te verwerken met traditionele processen. 3D-printen kan echter de lay-out van de koelkanalen zodanig regelen dat deze in principe consistent is met de geometrie van de holte, waardoor de uniformiteit van het temperatuurveld kan worden verbeterd en productdefecten effectief kunnen worden verminderd en de levensduur van de matrijs kan worden verlengd.

Titaan en titaanlegeringen

Titanium en titaniumlegeringen zijn ideale materialen geworden op het gebied van medische apparatuur, chemische apparatuur, lucht- en ruimtevaart en sportapparatuur vanwege hun opmerkelijk hoge specifieke sterkte, goede hittebestendigheid, corrosiebestendigheid en goede biocompatibiliteit. Titaanlegeringen zijn echter meestal moeilijk te bewerken materialen.

Ze hebben te lijden onder hoge spanningen, hoge temperaturen en ernstige gereedschapsslijtage tijdens de verwerking, wat de brede toepassing van titaanlegeringen beperkt. 3D-printtechnologie is bijzonder geschikt voor de productie van titanium en titaniumlegeringen. Ten eerste vindt 3D-printen plaats in een omgeving met een beschermende atmosfeer. Titanium reageert niet gemakkelijk met elementen zoals zuurstof en stikstof. De snelle verwarming en koeling van micro-gebieden beperkt ook de vervluchtiging van legeringselementen;

Ten tweede kunnen complexe vormen worden gefabriceerd zonder snijbewerking en is de materiaalbenuttingsgraad op basis van poeder- of draadmaterialen hoog, wat geen verspilling van grondstoffen veroorzaakt en de productiekosten sterk verlaagt. Momenteel omvatten de soorten 3D-geprint titanium en titaniumlegeringen puur Ti, Ti6A14V (TC4) en Ti6A17Nb, die op grote schaal kunnen worden gebruikt in onderdelen voor de ruimtevaart (Afbeelding 3) en kunstmatige implantaten (zoals botten, tanden, enz.).

Voordelen en nadelen van 3D Printing Plastic Mallen

Hoe 3D print je kunststof mallen?

Door gebruik te maken van duurzame en hittebestendige materialen in combinatie met een kunststof (of polymeer) 3D-printer kunnen bedrijven hun spuitgietmatrijzen intern produceren of ze snel aanschaffen bij een dienstverlener.

Wat zijn de voordelen van 3D Printing kunststof mallen?

Gereedschap optimaliseren voor meer ergonomie en betere minimale prestaties

3D-printen verlaagt de barrières voor het valideren van nieuwe gereedschappen die tegemoetkomen aan onvervulde productiebehoeften, en maakt de integratie van meer beweegbare en vaste opspanningen in productieprocessen mogelijk. Conventioneel werden gereedschappen en aanverwante apparatuur ontworpen voor maximale duurzaamheid om de aanzienlijke kosten en arbeid te vermijden die gepaard gaan met herontwerp en productie. Dankzij 3D printtechnologie kunnen bedrijven nu elk gereedschap op elk gewenst moment opknappen, en zich niet beperken tot alleen die gereedschappen die zijn afgedankt en ongeschikt zijn bevonden.

Lage kosten

Traditionele methoden om spuitgietmatrijzen te maken zijn meestal duur en tijdrovend, omdat ze precisiemachines en expertise van de matrijzenmaker vereisen. Aan de andere kant biedt 3D-printen een kosteneffectiever alternatief voor de productie van matrijzen.

Rechtstreeks mallen printen vanaf een 3D-printer kan geschikt zijn voor kleine volumes (van 100 tot 10.000+, afhankelijk van het materiaal) en kan tot 90% minder kosten dan metalen mallen. Kunststof 3D printen komt naar voren als de voorkeursmethode voor het maken van mallen als korte doorlooptijden en lage kosten belangrijke overwegingen zijn.

Volgens rapporten kunnen 3D-printmallen tot 80% kosten besparen in vergelijking met traditionele technologieën. Ze zijn veel sneller en goedkoper dan de traditionele productie van metalen mallen. Er kunnen meerdere matrijsversies tegelijk worden geprint, wat meer toepassingsmogelijkheden biedt en ze geschikt maakt voor het uitbesteden aan fabrikanten. Deze interne oplossing voorkomt het lekken van gegevens en beschermt intellectuele eigendomsrechten, zodat de spuitgegoten onderdelen dezelfde kwaliteit behouden.

3D printen vereist minder stappen dan machinale bewerking, met een gemiddelde van slechts zes werkdagen die nodig zijn om de mal en het onderdeel te voltooien. In feite kan de productie van matrijzen in slechts een paar uur worden voltooid, waardoor het proces snel en efficiënt is.

Complexe spuitgietmatrijzen kunnen nu 3D-geprint worden met behulp van oplosbare harsen, kunststof (of polymeer) 3D-printers en duurzame, temperatuurbestendige materialen. Dankzij deze vooruitgang kunnen bedrijven hun eigen matrijzen intern produceren of ze eenvoudig aanschaffen bij dienstverleners.

Wat zijn de nadelen van 3D Printing Plastic Mallen?

Kunststof matrijzen hebben meestal een lagere warmtegeleiding dan metalen matrijzen, wat leidt tot langere koeltijden voor spuitgietproducten. Bovendien hebben ze de neiging sneller te degraderen dan hun metalen tegenhangers, waardoor vaak nabewerkingsprocessen nodig zijn om een precieze nauwkeurigheid te bereiken. Bovendien zijn kunststof matrijzen beperkt in grootte.

Wat zijn enkele typische voorbeelden van 3D Printing kunststof mallen?

Zetar Schimmel

Zetar Mold is een spuitgietbedrijf in ShangHai, China, dat snel matrijzen maakt en kleine series spuitgiet. Als antwoord op de toenemende vraag naar productie van kleine aantallen, heeft Zetar Mold 3D-printtechnologie omarmd om kosteneffectieve kunststof mallen te maken voor een snellere productie van kleinere orders. Tijdens hun onderzoek ontdekten ze dat de SLA 3D-printer van Formlabs, in combinatie met het glasgevulde harsmateriaal Rigid 10K Resin van het bedrijf, de ideale match was voor hun Babyplast industriële spuitgietmachine.

Met Formlabs kan Zetar Mold snel 3D-geprinte spuitgietmatrijzen produceren. Na de ontwerpfase kan Zetar Mold de matrijs binnen één dag printen en nabewerken. Door het geprinte onderdeel te integreren met het bestaande metalen frame van de matrijs, kan de assemblage in slechts dertig minuten worden voltooid, waardoor onmiddellijk met de productie kan worden begonnen. spuitgietproces. Hoewel elke matrijs meestal beperkt is tot ongeveer 100 toepassingen, kan Zetar Mold tegelijkertijd meerdere matrijzen afdrukken om grotere bestelhoeveelheden mogelijk te maken.

Markforged 3D-printers om thermohardende mallen te maken. Het bedrijf had een duurzame thermohardende mal nodig ter vervanging van het dure uitbestede siliconenproces, die bestand was tegen aanzienlijke klemkrachten bij temperaturen tot 150 °C.

Markforged slaagde erin om binnen ongeveer 60 uur een matrijs te maken met behulp van de X7 3D-printer en Onyx-materialen, tegen een kostprijs van ongeveer $240 per matrijs. In vergelijking daarmee kostte het maken van machinaal bewerkte siliconenmallen 144 uur en ongeveer $1.000 per mal.

Addifab

Het produceren van prototypes met hetzelfde ontwerp en dezelfde materialen als het eindproduct kan het testproces voor prototypes aanzienlijk verbeteren en versnellen. Addifab, een startup gevestigd in België, is gespecialiseerd in het leveren van 3D-geprinte mallen voor spuitgieten.

Addifab biedt een gepatenteerd harsmateriaal voor 3D-printmallen dat een injectiedruk tot 2.500 bar en smelttemperaturen tot 450°C kan verdragen. Vervolgens lost de mal binnen 12 tot 48 uur volledig op in een waterige alkalische oplossing. Addifab gebruikt deze oplosbare hars voor het 3D printen van spuitgietmatrijzen.

Wilson Sporting Goods heeft onlangs Addifab-hars gebruikt op zijn grootformaat Nexa3D NXE 400-printer om efficiënt meerdere versies van spuitgietvormen voor nieuwe handgrepen voor honkbalknuppels te produceren.

Wat zijn de materialen voor kunststof gietvormen?

nylon

Materiaalkenmerken: Nylon heeft een hoge temperatuurbestendigheid, goede taaiheid en hoge sterkte. Vergeleken met andere materialen heeft nylon uitstekende kenmerken zoals een hoge vloeibaarheid, lage statische elektriciteit, lage waterabsorptie, matig smeltpunt en hoge maatnauwkeurigheid van producten.

De vermoeiingsweerstand en taaiheid voldoen ook aan de behoeften van werkstukken die hogere mechanische eigenschappen vereisen. Het is een engineering kunststof. Ideaal materiaal voor 3D printen.
Gebruikelijke toepassingen: omhulsels en behuizingen, sportartikelen voor consumenten, complexe prototypes van kunststof onderdelen en vorm-, assemblage- of functionele prototypes.

Nylon met hoge prestaties

Belangrijkste kenmerken: Buigzaam, flexibel materiaal met hoge duurzaamheid, prestaties en slagvastheid
Gebruikelijke toepassingen: Slagvaste prototypes, mallen, armaturen, dunwandige buizen en behuizingen, drukknopen, clips en scharnieren.

Geïmporteerde lichtgevoelige hars

Materiaalkenmerken: Fotogevoelige harsmaterialen worden veel gebruikt vanwege hun hoge gladheid en duurzaamheid. Onderdelen die met dit materiaal zijn geprint, kunnen worden onderworpen aan nabewerkingsprocessen zoals slijpen, polijsten, verven, spuiten, galvaniseren en zeefdrukken. De prestaties zijn vergelijkbaar met die van kunststof ABS. Met zijn hoge precisie en delicate oppervlak kan het niet alleen worden gebruikt voor onderdelen die eruit zien, maar ook voor structurele, assemblage- en functionele verificatie.

Gebruikelijke toepassingen: huishoudelijke apparaten, snelle productie, prototypemodellen, elektronische producten, onderwijs en wetenschappelijk onderzoek, architecturale modellen, kunstmodellen, autofabricage en andere gebieden.

Conclusie

De snelgroeiende en zeer competitieve spuitgietindustrie, die honderden miljarden dollars waard is, heeft fabrikanten ertoe aangezet om efficiëntere en kosteneffectievere manieren te zoeken om de concurrentie voor te blijven.

3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, stelt deze bedrijven in staat om sneller en goedkoper superieure spuitgietmatrijzen en gereedschappen te maken dan met traditionele processen. Je zou kunnen stellen dat 3D-printen een revolutie teweegbrengt in de matrijzenindustrie.