Voorwoord: De snelgroeiende en zeer concurrerende spuitgietindustrie heeft een waarde van honderden miljarden dollars, waardoor fabrikanten op zoek zijn naar efficiëntere en kosteneffectievere manieren om hun concurrentievoordeel te behouden.

3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, stelt deze bedrijven in staat om superieure producten te maken. spuitgieten mallen en gereedschappen sneller en betaalbaarder dan traditionele methoden. We kunnen stellen dat 3D-geprinte matrijzen een revolutie teweegbrengen in de matrijzenindustrie.

Volgens Intelligent Manufacturing Network News wordt 3D-printen wereldwijd beschouwd als een van de meest geavanceerde technologieën met een enorm ontwikkelingspotentieel en uitgebreide toepassingsmogelijkheden.

Het gebruik van 3D printen in het onderwijs, de gezondheidszorg, de auto-industrie, de lucht- en ruimtevaart en andere sectoren wordt steeds intensiever, wat de waarde ervan in commerciële toepassingen aantoont. Dus wat is de realiteit achter 3D-geprinte spuitgietmatrijzen?

In dit artikel laten we je kennismaken met de waarheid over 3D printen van spuitgietmatrijzen.

1. Kort overzicht van 3D printtechnologie

3D printen (3DP) is een vorm van rapid prototyping technologie, ook bekend als additive manufacturing. Het is gebaseerd op digitale modelbestanden en gebruikt zelfklevende materialen zoals metaalpoeder of kunststof om structuren te bouwen door laag voor laag te printen.

Het wordt meestal bereikt met materiaalprinters die gebruik maken van digitale technologie en wordt vaak gebruikt om modellen te maken op gebieden zoals de productie van mallen en industrieel ontwerp. Het wordt geleidelijk toegepast in de directe productie van sommige producten, waarbij al met succes onderdelen zijn geprint met deze technologie.

3D printen wordt meestal uitgevoerd met materiaalprinters die gebruik maken van digitale technologie. Het wordt vaak gebruikt voor het maken van modellen in de matrijzenbouw, industrieel ontwerp en andere gebieden, en wordt steeds vaker gebruikt voor de directe productie van bepaalde producten. Sommige onderdelen zijn al geprint met deze technologie

2. Spuitgieten

Bij de techniek die bekend staat als spuitgieten worden verwarmde en gesmolten kunststofmaterialen onder hoge druk in de vormholte gespoten, waarna ze afkoelen en stollen. Deze methode wordt vooral gebruikt voor massaproductie. Centraal in dit proces staat de spuitgietmatrijs, die snel en nauwkeurig volledige structuren en precieze afmetingen voor kunststof producten produceert.

Het huidige proces voor het maken van matrijzen, meestal het openen van matrijzen genoemd, omvat meestal mechanische bewerkingen. Het proces kan als volgt worden geschetst: In eerste instantie wordt een digitale matrijs gegenereerd met behulp van software op basis van het 3D-model van het eindproduct. Dit omvat het definiëren van de caviteitnummers, poortlocaties en noodzakelijke runnersystemen voor de matrijs. spuitgieten proces.

De matrijsonderdelen worden bewerkt met gereedschappen zoals CNC, freesmachines en draaibanken. Om betere spuitgietproducten te maken, moet de matrijs vaak worden afgewerkt en gepolijst om de oppervlaktekwaliteit te verbeteren. Dit is een arbeidsintensief proces en de typische productiecyclus voor precisie spuitgietmatrijzen is ongeveer 20-25 dagen.

3. 3D-afdruk van kunststof schimmel

Door sterke en temperatuurbestendige materialen te combineren met een kunststof (of polymeer) 3D-printer, kunnen bedrijven hun eigen spuitgietmatrijzen in huis produceren of ze meteen bestellen bij een dienstverlener. 3D-geprinte kunststof mallen zijn geschikt voor de productie van kleine hoeveelheden onderdelen (van 100 tot 10.000, afhankelijk van het materiaal) en zijn aanzienlijk kosteneffectiever, met 90% lagere prijzen dan metalen mallen.

Als het budget beperkt is en de doorlooptijd kort, dan is kunststof 3D printen de aangewezen methode om matrijzen te maken. Het wordt ook veel gebruikt voor prototyping, waardoor bedrijven sneller kunnen testen en itereren voordat ze met meer vertrouwen overstappen op traditionele gereedschappen voor massaproductie.

Gebruikte technologieën en materialen

Technologie 1: Fused Deposition Modeling (FDM) is de voordeligste 3D printoplossing voor het maken van kunststof mallen. Bij deze methode kunnen echter zichtbare lagen ontstaan. Om de gewenste nauwkeurigheid te bereiken, moeten de lagen worden verwijderd door ze na te slijpen of chemisch te behandelen. Bovendien kunnen deze mallen worden bewerkt met kleinere toleranties.

Technologie 2: 3D printen met hars, inclusief stereolithografie (SLA) en digitale lichtverwerking (DLP), zijn de populairste technologieën omdat ze mallen produceren met een fijnere oppervlakteafwerking die minder nabewerking vereisen.

Technologie drie: Selective Laser Sintering (SLS) is een technologie die poedervormige polymeermaterialen en een laser gebruikt om mallen te maken met een hoge oppervlaktekwaliteit en sterkte, vaak gemaakt van versterkt nylon.

Op het gebied van 3D printen is er een ruime keuze aan kunststoffen. Niet alle materialen kunnen echter de hoge druk en temperaturen aan die bij spuitgieten komen kijken. De materiaalkeuze hangt af van factoren zoals de smelttemperatuur van de kunststof, de injectiedruk van de machine en het volume van de benodigde onderdelen.

De meest gebruikte materialen zijn PETG, polypropyleen (PP), giethars, nylon (PA), koolstofvezelnylon, enz. Deze materialen zijn echter doorgaans slechts bestand tegen tientallen tot honderden spuitgietcycli. Voor grote productieseries waarbij duizenden onderdelen nodig zijn, heeft metaal in de meeste gevallen nog steeds de voorkeur boven kunststof.

Typische toepassingen

PepsiCo werkte samen met Henkel Loctite Nexa3D om matrijsinserts te maken met xPEEK147-harsmateriaal en een Nexa3D NXE 400 3D-printer. Deze inzetstukken worden vervolgens geïntegreerd met onderdelen van traditionele metalen matrijzen. De hele matrijs kan nu in slechts 12 uur worden gemaakt, waarbij 8 uur wordt besteed aan 3D-printen en 4 uur aan nabewerking en uitharding.

De ontwikkelingstijd voor prototypes is drastisch teruggebracht van 4 weken tot slechts 48 uur, een aanzienlijke verbetering van de efficiëntie. Bovendien zijn de kosten van elke matrijzenset aanzienlijk gedaald van $10.000 naar $350. Deze innovatieve, hybride matrijzen kunnen meer dan 10.000 flessen produceren zonder defecten, wat een potentiële kostenbesparing oplevert van 96% in vergelijking met traditionele metalen matrijzen.

Op het gebied van traditionele spuitgietenligt de belangrijkste kostenfactor in de productie van de matrijs. De fijne kneepjes van het terugverdienen van de productiekosten van de matrijs door massaproductie en verkoop van producten worden belicht. Er wordt benadrukt dat voor producten met een korte levenscyclus of beperkte vraag, de investering in machinaal bewerkte matrijzen financieel niet haalbaar kan zijn. In dergelijke scenario's wordt de keuze voor het maken van matrijzen door middel van 3D-printen gepresenteerd als een voordeliger alternatief.

Deze verschuiving naar 3D-printen biedt niet alleen een kosteneffectieve oplossing, maar zorgt ook voor meer flexibiliteit bij het aanpassen van producten en het produceren van kleine series. Fabrikanten worden aangemoedigd om deze aanpak te gebruiken om hun productaanbod uit te breiden binnen kosteneffectieve parameters. De snelle productiemogelijkheden van 3D-geprinte mallen stellen fabrikanten in staat om snel in te spelen op de vraag van klanten naar nieuwe producten, wat leidt tot efficiënte ontwikkeling en productie van producten in kleine oplages.

4. 3D-afdruk metalen mal

De drijvende factoren achter de toename in het gebruik van metalen 3D geprinte mallen verschillen aanzienlijk van de voordelen van plastic 3D geprinte mallen. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, kan het maken van metalen 3D geprinte mallen duurder en tijdrovender zijn dan conventionele metalen mallen. Het voordeel ligt niet in het maken van de mallen, maar in de kosteneffectiviteit van het produceren van het hele product met 3D geprinte mallen.

Gebruikte technologieën en materialen

Met metaal 3D printen kunnen mallen worden gemaakt voor de productie van eindproducten en prototypes met ingewikkelde details, waardoor fabrikanten het traditionele proces voor het maken van mallen kunnen stroomlijnen en minder ervaren machinisten nodig hebben.

Een veelgebruikte techniek is selectief lasersmelten (SLM), een belangrijke methode bij de additieve productie van metalen. Hoewel met SLM fijne details kunnen worden bereikt, zijn vaak extra bewerkingen nodig. Gezien de huidige kosten en verwerkingssnelheden is het onwaarschijnlijk dat metaal 3D printen de machinale bewerking van spuitgietmatrijzen volledig zal vervangen, maar in plaats daarvan dient het als een aanvullend hulpmiddel om de totale productie te versnellen.

Een andere 3D printtechnologie, Direct Energy Deposition (DED), maakt gebruik van een laser om een smeltbad te creëren in het depositiegebied en dit snel te verplaatsen. Het materiaal, in de vorm van poeder of filament, wordt direct in de smeltzone op hoge temperatuur gebracht en na het smelten laag voor laag afgezet. Deze benadering maakt het mogelijk om metalen mallen te maken van verschillende metalen materialen. Er kan bijvoorbeeld een laag roestvrij staal worden aangebracht bovenop een zuiver koperen substraat om een hoge thermische geleidbaarheid te combineren met slijtvastheid.

Vereist in gereedschap voor spuitgieten.

Metalen 3D geprinte onderdelen vereisen vaak extra bewerkingen, wat leidt tot een opkomst van hybride machines die 3D printen en CNC mogelijkheden combineren. De TrueShape machine, ontwikkeld door Mantle, een startup op het gebied van metaal 3D printen, is een voorbeeld van deze trend.

Het proces begint met het 3D-printen van een metalen mal met behulp van extrudeerbare pasta van gereedschapsstaal. Vervolgens worden precisie-CNC-machines gebruikt om de mal te verfijnen tot exacte toleranties voordat deze wordt gesinterd in een oven op hoge temperatuur.

Typische toepassingen

3D-printen ontketent een revolutie in de matrijzenindustrie door het mogelijk te maken matrijzen te maken met ingewikkelde conforme koelkanalen. Deze kanalen spelen een cruciale rol in metaal spuitgieten gereedschap door snellere en gelijkmatigere koeling van onderdelen mogelijk te maken.

Aangezien de koelfase doorgaans 70% tot 80% van de volledige cyclustijd in beslag neemt, kan elke vermindering van deze fase tijdens de levensduur van de matrijs aanzienlijke kostenbesparingen opleveren voor fabrikanten. Bovendien heeft effectief koelen een grote invloed op de maatnauwkeurigheid, de oppervlakteafwerking en de mechanische eigenschappen van het eindproduct.

Traditionele bewerkingstechnieken omvatten het toevoegen van koelkanalen aan de matrijs door middel van rechte boringen. Naarmate de geometrie van onderdelen complexer wordt, wordt het echter steeds lastiger om langs de contouren van de matrijs nauwkeurig te koelen. Dit kan de traditionele productie van ingewikkelde onderdelen tot een lastige en dure onderneming maken.

Vergeleken met traditionele processen kan 3D-printen gebogen koelkanalen in de matrijs creëren die de vorm van het onderdeel aannemen en koeling leveren waar dat het meest nodig is om de kwaliteit van het onderdeel te verbeteren en de koeltijd tot 70% te verkorten.

Een goed voorbeeld is Yijia, een fabrikant van driedimensionale cupping. Voorheen vertoonden cuppingmallen die door traditioneel spuitgieten waren geproduceerd een lage transparantie en inefficiënt spuitgieten. Deze inefficiëntie was het gevolg van cuppingmallen die met behulp van traditionele CNC-technologie werden gemaakt. Deze technologie kon alleen verticale koelkanalen verwerken, waardoor de mal niet voldoende werd gekoeld.

Complexe metalen mallen met conforme koelkanalen kunnen worden gemaakt met de Eplus3D EP-M250 SLM 3D-printer. De uiteindelijke cupping heeft nu slechts 16,63 seconden nodig om de optimale temperatuur voor het spuiten te bereiken. Traditionele mallen hebben daarentegen 22,97 seconden nodig, wat resulteert in een tijdsbesparing van meer dan 6 seconden en een verhoging van de injectie-efficiëntie met ongeveer 26%.

De voordelen van conforme koelkanalen via 3D-printen zijn duidelijk in verschillende sectoren van de matrijzenbouw. Denk bijvoorbeeld aan elektronische sigaretten. Guangdong Moko stelt: "In de afgelopen drie jaar is ons begrip van PCTG-materialen aanzienlijk verdiept, vooral bij elektronische sigaretten.

Het gebruik van dit materiaal in combinatie met 3D-printtechnologie is een voorbeeld van een unieke benadering die afwijkt van conventionele methoden." Dit onderstreept de centrale rol van 3D-printen in de revolutie van de matrijzenindustrie door uitdagingen aan te gaan die met traditionele middelen niet haalbaar zijn.

5. Voordelen van 3D-printen van spuitgietmatrijzen

Productiecyclus van mallen verkort

3D-printen van matrijzen verkort de productontwikkelingscyclus aanzienlijk en stimuleert innovatie. Voorheen kozen bedrijven er soms voor om updates van productontwerpen uit te stellen of te verwerpen vanwege de aanzienlijke investering die nodig was voor de productie van nieuwe matrijzen. Door de doorlooptijd voor de productie van matrijzen te verkorten en snelle updates van bestaande ontwerptools mogelijk te maken, kunnen bedrijven dankzij 3D-printen hun matrijzen vaker aanpassen en verbeteren. Deze mogelijkheid zorgt ervoor dat de ontwerpcyclus van de matrijs gelijk loopt met de ontwerpcyclus van het product.

Bovendien hebben sommige bedrijven geïnvesteerd in hun eigen 3D-printapparatuur om mallen te maken, waardoor de productontwikkeling nog sneller verloopt en de flexibiliteit en het aanpassingsvermogen toenemen. Deze strategische aanpak versterkt de veerkracht van de toeleveringsketen tegen risico's zoals verlengde deadlines en stagnatie in de ontwikkeling, waardoor de aankoop van ongeschikte mallen van leveranciers wordt voorkomen.

Lagere productiekosten

Als de huidige kosten van metaal 3D-printen hoger zijn dan de kosten van traditionele metaalproductieprocessen, dan zijn kostenbesparingen gemakkelijker te realiseren op het gebied van kunststof producten.

Metalen 3D-geprinte mallen bieden economische voordelen bij de productie van kleine, discontinue series eindproducten (omdat de vaste kosten van deze producten moeilijk af te schrijven zijn) of voor specifieke geometrieën die geoptimaliseerd zijn voor 3D-printen, wat nog grotere economische voordelen oplevert. Dit voordeel wordt vooral duidelijk wanneer de gebruikte materialen extreem kostbaar zijn en traditionele matrijzenproductie resulteert in hoge uitvalpercentages, waar 3D-printen een kostenvoordeel kan bieden.

Bovendien kan het vermogen van 3D-printen om binnen enkele uren nauwkeurige mallen te maken een aanzienlijke invloed hebben op productieprocessen en winstgevendheid, vooral in scenario's waar productiestilstand of het aanhouden van gereedschapvoorraden duur is.

Soms moet de matrijs worden aangepast nadat de productie is gestart. Het aanpassingsvermogen van 3D-printen stelt ingenieurs in staat om meerdere iteraties tegelijk te testen, waardoor de initiële kosten als gevolg van wijzigingen in het matrijsontwerp worden beperkt.

Verbeteringen in matrijsontwerp voegen meer functionaliteit toe aan eindproducten

De unieke metallurgie bij 3D-printen van metaal verbetert vaak de microstructuur van het metaal, wat resulteert in volledig dicht geprinte onderdelen met mechanische en fysieke eigenschappen die vergelijkbaar zijn met of zelfs beter zijn dan die van gesmede of gegoten materialen (gebaseerd op warmtebehandeling en testoriëntatie). Additive manufacturing biedt ingenieurs een overvloed aan mogelijkheden om het ontwerp van matrijzen te verbeteren.

In scenario's waar het beoogde onderdeel uit meerdere subcomponenten bestaat, maakt 3D-printen een naadloze integratie van het ontwerp mogelijk, wat leidt tot een vermindering van het aantal benodigde onderdelen. Dit stroomlijnt het productassemblageproces en minimaliseert de toleranties.

Bovendien kunnen er complexe productfuncties in worden geïntegreerd, waardoor er sneller hoogfunctionele eindproducten met minder defecten kunnen worden gemaakt. De algehele kwaliteit van een spuitgietproduct wordt bijvoorbeeld beïnvloed door de warmteoverdracht tussen het geïnjecteerde materiaal en de koelvloeistof die door de gereedschapopstelling stroomt. Bij de productie met traditionele methodes zijn de kanalen die het koelmateriaal leiden meestal recht, wat resulteert in een trager en ongelijk koelingseffect op het spuitgietproduct.

Met 3D-printen kunnen koelkanalen in elke vorm worden gemaakt om gelijkmatige koeling mogelijk te maken, wat optimaler en uniformer is en uiteindelijk resulteert in onderdelen van hogere kwaliteit en minder uitval. Bovendien vermindert een snellere warmteafvoer de cyclustijd van het spuitgieten aanzienlijk, aangezien de koelperiode meestal tot 70% van de volledige spuitgietcyclus uitmaakt. spuitgieten cyclus.

Gereedschap optimaliseren voor meer ergonomie en betere minimale prestaties

3D-printen verlaagt de barrières voor het valideren van nieuwe gereedschappen die voorzien in onvervulde behoeften in de productie aanzienlijk en maakt de productie van extra bewegende en vaste opspanmiddelen mogelijk. Van oudsher zijn gereedschappen en aanverwante apparaten ontworpen om zo lang mogelijk mee te gaan, gezien de aanzienlijke kosten en inspanningen die gemoeid zijn met het herontwerpen en maken ervan. Door gebruik te maken van 3D printtechnologie kunnen bedrijven elk gereedschap op elk moment vernieuwen, niet alleen de gereedschappen die verouderd en ongeschikt voor het werk worden geacht.

Met minimale tijd en initiële investeringen maakt 3D-printen het kosteneffectiever om gereedschappen te fine-tunen voor betere marginale prestaties. Bijgevolg kunnen technici tijdens de ontwerpfase rekening houden met ergonomische overwegingen om het gebruikscomfort te verhogen, de bewerkingsduur te verkorten en de bruikbaarheid en opslag te stroomlijnen.

Hoewel deze verbeteringen slechts een paar seconden kunnen besparen op assemblagewerkzaamheden, kan het cumulatieve effect aanzienlijk zijn. Bovendien kan het optimaliseren van het gereedschapontwerp ook het uitvalpercentage van onderdelen beperken, wat bijdraagt aan de algehele operationele efficiëntie.

6. Nadelen van 3D printen van spuitgietmatrijzen

Krimpgebreken in gedrukte mallen

Net als alle 3D-geprinte onderdelen kunnen mallen last hebben van verschillende defecten, zoals kromtrekken door krimp tijdens het afkoelen. Als de mal kromtrekt, kunnen er problemen ontstaan bij het werken met producten die hoge toleranties vereisen.

Structurele integriteitsproblemen

Kunststof 3D geprinte mallen zijn minder stabiel dan metalen mallen als het gaat om het weerstaan van de hoge temperaturen en druk van het spuitgietproces. De zwakke structurele integriteit van de matrijs kan leiden tot problemen zoals degradatie van matrijspoorten en laslijnen, waardoor ze ongeschikt zijn voor massaproductie.

Experimenteren vereist afval

Wanneer je zelf een mal 3D print, is het gebruikelijk om wat plastic afval te genereren voordat je het gewenste product hebt bereikt. Ondanks de veelzijdigheid van 3D printen voor het verfijnen van ontwerpen, kunnen bepaalde onvolkomenheden pas in de laatste stadia naar voren komen, wat leidt tot meer afval. Het is essentieel om te benadrukken dat dit afval recyclebaar is.

Het drukeffect wordt beperkt door het materiaal

Hoewel high-end industrieën kunststoffen, bepaalde metalen of keramiek kunnen printen, ligt de huidige uitdaging in het printen van materialen die zowel duur als schaars zijn. De industrie als geheel heeft behoefte aan een verbeterde stabiliteit en gebruiksgemak van materialen, en wordt daarnaast geconfronteerd met knelpunten in het onderzoek naar en de ontwikkeling van nieuwe materialen. Bovendien is sommige 3D-printapparatuur nog niet uitontwikkeld, wat het vermogen om het brede scala aan materialen uit het dagelijks leven te ondersteunen in de weg staat.

Is het eindproduct stevig en duurzaam?

Huizen en auto's kunnen weliswaar worden "geprint", maar kunnen ze wind en regen weerstaan en soepel over de weg rijden? Op dit moment maakt 3D printen gebruik van polymeermaterialen, elk met hun eigen smeltpunt en vloeibare eigenschappen. Er ontstaan uitdagingen bij het combineren van verschillende materialen in 3D printen, wat leidt tot tekortkomingen zoals de hoge brosheid van het eindproduct.

Intellectueel eigendom

In het huidige tijdperk van toenemend juridisch bewustzijn wordt er steeds meer nadruk gelegd op het beschermen van intellectuele eigendomsrechten in de muziek-, film- en televisiesector. De komst van 3D printtechnologie maakt deze zaak nog gecompliceerder, omdat de bezorgdheid over schending van het auteursrecht en namaakgebruik groot is.

De noodzaak om de legitimiteit van auteursrechten voor 3D-geprinte producten vast te stellen en ongeoorloofde reproductie te voorkomen is een cruciale uitdaging geworden voor de vooruitgang van de industrie. De formulering van wettelijke kaders door relevante autoriteiten met betrekking tot 3D-printen is essentieel om intellectuele eigendomsrechten te beschermen en een verantwoord gebruik van deze innovatieve technologie te bepalen.

Moeilijk te overwinnen Omgevingsfactoren

In de 3D printkamer kunnen problemen zoals onvoldoende luchtzuivering, gaten in de machine en onzuiverheden gemengd in metaalpoedermaterialen leiden tot variaties in het zuurstofgehalte. Dit kan de mechanische eigenschappen van geprinte onderdelen negatief beïnvloeden en zelfs veranderingen in hun chemische samenstelling veroorzaken. Daarom is het van cruciaal belang om het zuurstofgehalte in de drukkamer te detecteren.

7.Conclusie

De impact van 3D printen op de productie-industrie is enorm. Prototype-onderdelen die voorheen honderden dollars kostten en waarvan de productie weken in beslag nam, kunnen nu 's ochtends worden ontworpen, 's nachts worden geprint en de volgende dag bij de klant worden afgeleverd. Sommige bedrijven zijn al begonnen met het gebruik van 3D-printprocessen om spuitgietmatrijzen te maken.

De dagen dat men maanden moest wachten op de productie van matrijzen of geconfronteerd werd met aanzienlijke kosten voor het aanpassen van matrijzen als gevolg van wijzigingen in het ontwerp, zijn voorbij. Met 3D-printen kunnen matrijzen snel worden geproduceerd, of het nu is voor matrijsverificatie of de productie van kleine series van spuitgegoten onderdelen.

De waarheid over 3D-geprinte spuitgietmatrijzen ligt in hun subtiele voordelen en beperkingen. Hoewel de productiecyclus van de matrijs korter wordt en de productiekosten lager, voegen verbeteringen in het matrijsontwerp meer functionaliteit toe aan het eindproduct. Geoptimaliseerd gereedschap is ergonomischer en verbetert de minimale prestaties, terwijl op maat gemaakte matrijzen helpen om een eindproduct op maat te maken.

Er zijn echter uitdagingen, zoals krimpfouten in de drukvorm, problemen met de structurele integriteit, verspilling bij experimenten, beperkingen in de drukeffecten door materialen, zorgen over de sterkte en duurzaamheid van het eindproduct, zorgen over intellectueel eigendom en problemen bij het aanpakken van milieufactoren.

Daarom kunnen 3D-geprinte spuitgietmatrijzen een waardevol hulpmiddel zijn in het productiearsenaal, vooral voor snelle iteraties en gespecialiseerde toepassingen, maar het is geen universele oplossing. Elk project vereist een zorgvuldige afweging van de unieke vereisten en de mogelijkheden van 3D printtechnologie.