Przedmowa： W nowoczesnej produkcji połączenie druku 3D z tradycyjnymi technikami odlewania otwiera świat możliwości. Możliwość tworzenia niestandardowych form o złożonych wzorach i geometrii za pomocą druku 3D zrewolucjonizowała proces odlewania. Korzystając z produkcji addytywnej, osoby prywatne i branże mogą odkrywać nowe możliwości kreatywności, wydajności i opłacalności w produkcji wysokiej jakości odlewanych przedmiotów.

Ten artykuł jest kompletnym przewodnikiem po tworzeniu drukowanych 3D form odlewniczych. Dowiemy się z niego, jak wcielać w życie swoje pomysły i tworzyć formy odlewnicze za pomocą druku 3D.

Czym jest technologia druku 3D?

Druk 3D to rodzaj technologii szybkiego prototypowania. Rozkłada trójwymiarowy model cyfrowy zaprojektowany przez komputer na kilka warstw płaskich plasterków, a następnie wykorzystuje drukarkę 3D do wklejania proszku, płynnych lub filamentowych tworzyw sztucznych, metali, ceramiki lub piasku. Jest to technologia polegająca na układaniu materiałów kompozytowych warstwa po warstwie zgodnie z wzorami wycinków, a na koniec układaniu ich w kompletny obiekt.

Technologia ta łączy w sobie najnowocześniejszą wiedzę techniczną w zakresie technologii modelowania cyfrowego, technologii informacyjnej, technologii sterowania elektromechanicznego, materiałoznawstwa i chemii, i jest kompleksową technologią aplikacji o wysokiej zawartości technologicznej.

Czym jest odlewanie metali?

Odlewanie metali jest znane od około 7000 lat. Jest to proces polegający na wlewaniu gorącego ciekłego metalu do formy i pozostawieniu go do ostygnięcia i stwardnienia. Ludzie używali go do tworzenia narzędzi, broni i posągów. Ludzie nadal używają go do produkcji biżuterii i samochodów.

Podstawową ideą jest wlewanie lub wtłaczanie gorącego ciekłego metalu do formy. Następnie czekamy, aż metal ostygnie, stwardnieje i przybierze kształt formy. Następnie z formy wyjmuje się stałą część. Istnieje jednak wiele różnych sposobów odlewania. Najważniejsze jest to, z czego wykonana jest forma i w jaki sposób gorący ciekły metal dostaje się do formy.

Druk 3D może sprawić, że tworzenie form do odlewania metalu będzie szybsze i tańsze. Jest to szczególnie ważne w przypadku odlewania metodą traconego wosku i odlewania piaskowego. Możesz drukować 3D wzory, których używasz do tworzenia form. Można też drukować w 3D same formy.

Projektowanie modelu CAD

Najpierw należy utworzyć model 3D formy za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Upewnij się, że model ma odpowiednie kąty pochylenia i linie podziału, aby ułatwić wyjmowanie formy, oraz odpowiednią grubość ścianki dla materiału odlewniczego. Warto również uwzględnić elementy formy, takie jak bramy, prowadnice i otwory wentylacyjne, aby ułatwić odlewanie części. Formę można zaprojektować przy użyciu oprogramowania CAD, takiego jak Autodesk Fusion®, SolidWorks®, Rhino3D®, AutoCAD®, Tinkercad® i innych.

Podczas projektowania Model formy wydrukowany w 3DJest jednak kilka rzeczy, o których należy pamiętać. Po pierwsze, projekt powinien być prosty. Po drugie, nie wypełniaj pustych przestrzeni przedmiotami. Po trzecie, zastanów się nad grubością ścian. Po czwarte, wybierz symetryczny projekt. I wreszcie, projektuj z uwzględnieniem ostatecznych szczegółów.

Określenie, czy model jest pusty czy pełny

Proces odlewania różni się w zależności od tego, czy model jest pusty czy pełny. Jeśli model jest pusty, proces odlewania staje się bardziej skomplikowany. Konieczne będzie utworzenie odlewu wspierającego wnętrze modelu, a następnie usunięcie struktury wspierającej z końcowej części. Końcowy element będzie miał gdzieś otwór, który jest wystarczająco duży, aby umożliwić usunięcie materiału podporowego po rozciągnięciu utwardzonej żywicy.

Jeśli model jest bryłą, proces odlewania jest prostszy. Obiekty bryłowe nie wymagają żadnej wewnętrznej struktury, która by je wspierała. W takim przypadku można pominąć krok 4 procesu odlewania.

Generowanie wewnętrznej struktury modelu Hollow

Aby wykonać wnętrze wydrążonego modelu, należy wykonać kilka czynności. Najpierw utwórz bryłę, która będzie nieco mniejsza niż model wydrążony. Umieść wydrążony model na bryle i wyśrodkuj go. Zmień wydrążony model tak, aby miał kształt "dziury". Spowoduje to, że wnętrze modelu stanie się bryłą. Połącz bryłę ze zmienionym pustym modelem.

Teraz masz dokładną kopię wnętrza wydrążonego modelu. Aby utrzymać wnętrze modelu na miejscu podczas tworzenia formy, dodaj wsporniki, które połączą wnętrze modelu z zewnętrzną częścią formy. Podpory te zostaną usunięte później.

Generowanie bloków brył wokół modelu

Najpierw sprawdź, czy oryginalny model jest już bryłą, czy też wymaga konwersji na bryłę. Jeśli model jest już bryłą, możesz przejść do następnego kroku. Jeśli nie, będziesz musiał zmodyfikować go tak, aby był zamkniętą, wodoszczelną objętością. Zaprojektuj blok lub strukturę pudełkową, która jest znacznie większa niż model. Blok ten będzie zewnętrzną granicą formy i utworzy ściany otaczające model. Umieść model wewnątrz bloku, upewniając się, że jest wyśrodkowany i prawidłowo wyrównany.

Model powinien być otoczony blokami, z przestrzenią między modelem a wewnętrznymi ścianami bloków. Połącz lub scal bloki i model, aby utworzyć pojedynczy, jednolity obiekt. Spowoduje to utworzenie nowego modelu 3D, w którym bloki tworzą zewnętrzne ściany formy, a model znajduje się wewnątrz formy.

Obudowując bryły modelu, stworzyłeś strukturę potrzebną do wykonania formy. Blok zdefiniuje kształt i rozmiar ostatecznego odlewu oraz zapewni wsparcie i ochronę podczas procesu odlewania.

Podziel blok na dwie lub więcej części zgodnie z projektem

Konieczne może być podzielenie bloku na sekcje, aby ułatwić wyjęcie odlewu z formy. Zależy to od stopnia skomplikowania modelu. Oto kilka rzeczy, o których należy pomyśleć podczas dzielenia bloków: Po pierwsze, spójrz na kształt modelu i zastanów się, jak możesz się do niego dostać. Głównym powodem, dla którego należy ułatwić rozebranie formy, jest możliwość wyjęcia odlewu bez jego uszkodzenia.

Nie rób żadnych klinów ani kształtów, które utrudnią wyciągnięcie odlewu. Patrząc na kształt modelu, zastanów się, gdzie możesz go podzielić. Na przykład, jeśli model jest okrągły, będziesz potrzebować co najmniej jednego podziału w środku, aby móc rozdzielić dwie połówki. Upewnij się, że wybrane linie pozwalają dostać się do wnętrza modelu. Pozwoli to na wyciągnięcie odlewu bez ściskania lub zginania modelu, ponieważ blok wokół modelu jest solidny.

Osadzanie modelu w bryle

Umieść symetryczny model na boku w podzielonym bloku, wyśrodkowany. W ten sposób, gdy połączysz bloki, będziesz mieć równe pokrycie po obu stronach modelu. Ostrożnie połącz bloki, upewniając się, że ściśle przylegają do modelu. Prawidłowo wyrównaj bloki, używając wszelkich elementów prowadzących lub znaków rejestracyjnych, aby upewnić się, że są ustawione prawidłowo. Użyj kołków ustalających, aby upewnić się, że połówki formy łączą się prawidłowo i pozostają w jednej linii.

Kołki te pomogą wyrównać połówki formy podczas jej zamykania. W środku znajduje się duży kanał umożliwiający przepływ materiału odlewniczego. Upewnij się, że kanał jest wystarczająco szeroki, aby umożliwić przepływ żywicy, zwłaszcza jeśli żywica jest gęsta. Szersze kanały umożliwiają lepszy przepływ żywicy i zapobiegają jej utknięciu lub powstawaniu pęcherzyków powietrza podczas nalewania. Wykonaj komorę, która znajduje się na górze formy i przechowuje dodatkową żywicę.

Komora wykorzystuje grawitację, aby umożliwić naturalny przepływ płynnej żywicy do formy. Rozmiar komory decyduje o tym, ile żywicy można wepchnąć do dużego kanału i zapewnia wystarczającą ilość materiału do wypełnienia formy.

Rozpocznij drukowanie 3D

Teraz nadszedł czas, aby rozpocząć drukowanie formy. Aby rozpocząć proces drukowania 3D formy, upewnij się, że drukarka 3D jest w dobrym stanie i prawidłowo skalibrowana. Sprawdź, czy łoże drukarki jest czyste i wypoziomowane oraz czy nie ma żadnych przeszkód dla głowicy drukującej lub ekstrudera. Wybierz odpowiedni materiał do drukowania formy. Weź pod uwagę takie czynniki, jak materiał odlewniczy, pożądane właściwości formy (takie jak elastyczność lub odporność na ciepło) oraz kompatybilność z drukarkami 3D.

Typowe materiały do drukowania form obejmują różne rodzaje żywic i tworzyw termoplastycznych. Użyj oprogramowania do cięcia, aby przygotować modele cyfrowe do drukowania 3D. Oprogramowanie pobiera plik modelu 3D i generuje serię instrukcji, które drukarka musi wykonać, określając wysokość warstwy, gęstość wypełnienia, prędkość drukowania i inne ustawienia. Parametry te można dostosować do własnych wymagań. Załaduj wybrane materiały do drukarki 3D.

Może to obejmować załadowanie rolki filamentu lub wlanie żywicy do odpowiedniego pojemnika, w zależności od typu używanej drukarki. Rozpocznij proces drukowania 3D, wysyłając plik wycinka do drukarki. Drukarka rozpocznie tworzenie modelu warstwa po warstwie zgodnie z instrukcjami dostarczonymi przez oprogramowanie do cięcia. Na początku miej oko na wszystko, aby upewnić się, że wszystko się klei i wygląda dobrze, a także aby rozwiązać wszelkie problemy, które się pojawią.

Użyj wydrukowanej formy i wlej silikon, aby rozpocząć proces odlewania.

Aby rozpocząć proces odlewania, wymieszaj silikon zgodnie z instrukcjami producenta, upewniając się, że masz odpowiedni stosunek składników bazy i katalizatora. Gdy mieszanina silikonu będzie gotowa, wlej ją powoli i równomiernie do formy. Rozpocznij wlewanie od jednego końca, aby silikon wypełnił wnękę formy. Uważaj, aby nie wprowadzić pęcherzyków powietrza podczas procesu nalewania, ponieważ mogą one zepsuć ostateczny odlew.

Delikatnie stuknij lub potrząśnij formą, aby pozbyć się pozostałych pęcherzyków powietrza. Pomaga to pęcherzykom powietrza unieść się na powierzchnię, zapewniając gładki, pozbawiony pęcherzyków odlew. Alternatywnie można użyć specjalistycznego sprzętu, takiego jak komora próżniowa lub zbiornik ciśnieniowy przeznaczony do odlewania silikonu, aby skuteczniej usuwać pęcherzyki powietrza.

Pozostaw silikon do utwardzenia na czas zalecany przez producenta. Czas utwardzania zależy od rodzaju używanego silikonu, więc należy postępować zgodnie z instrukcjami. Musisz dać silikonowi wystarczająco dużo czasu na stwardnienie i całkowite utwardzenie, zanim przejdziesz dalej.

Po całkowitym utwardzeniu silikonu ostrożnie wyjmij go z formy. W zależności od używanej formy, może być konieczne rozdzielenie połówek formy lub zgięcie formy, aby wyjąć odlew.

Przycinanie nadmiaru części

Po pomyślnym wyjęciu odlewu z formy silikonowej, następnym krokiem jest odcięcie nadmiaru. Nadmiar ten odnosi się do każdego dodatkowego odlewu materiału silikonowego, który mógł wypłynąć z pożądanego kształtu lub uformować się wzdłuż krawędzi.

Przyjrzyj się dokładnie odlewowi i zidentyfikuj obszary wymagające przycięcia. Używając ostrego noża hobbystycznego lub nożyczek, zacznij przycinać nadmiar silikonu zgodnie z zarysem pożądanego kształtu. Nie spiesz się, aby zapewnić dokładność i uniknąć przypadkowego przecięcia właściwego odlewu.

W zależności od złożoności odlewu może być konieczne użycie różnych narzędzi lub technik w celu osiągnięcia pożądanych rezultatów. Przycinanie nadmiaru jest ważnym krokiem w procesie odlewania, ponieważ pomaga poprawić ostateczny wygląd i jakość odlewu. Ostrożnie usuwając nadmiar silikonu, można dopracować szczegóły i uzyskać czysty i dopracowany rezultat, który bardzo przypomina oryginalny model.

Zalety drukowania 3D form odlewniczych

Korzystanie z form drukowanych 3D ma wiele zalet, w tym:

Krótszy cykl produkcji form

Formy drukowane 3D skracają cały cykl rozwoju produktu i stają się źródłem napędzającym innowacje. W przeszłości firmy czasami decydowały się na opóźnienie lub rezygnację z aktualizacji projektu produktu ze względu na duże inwestycje wymagane do produkcji nowych form. Skracając czas produkcji form i umożliwiając szybką aktualizację istniejących narzędzi projektowych, druk 3D pozwala firmom pozwolić sobie na częstsze zmiany i ulepszenia form. Dzięki temu cykl projektowania form może nadążać za cyklem projektowania produktu.

Ponadto niektóre firmy kupują własne drukarki 3D do produkcji form, co przyspiesza rozwój produktu i czyni go bardziej elastycznym i elastycznym. Ze strategicznego punktu widzenia sprawia to, że łańcuch dostaw jest bardziej odporny na ryzyko związane z długim czasem realizacji i stagnacją rozwoju, takie jak otrzymywanie złych form od dostawców.

Niższe koszty produkcji

Jeśli obecny koszt druku 3D z metalu jest wyższy niż tradycyjna produkcja z metalu, łatwiej jest zaoszczędzić pieniądze na częściach z tworzyw sztucznych.

Metalowe formy drukowane 3D są korzystne ekonomicznie w przypadku produkcji małych, przerywanych serii części końcowych (ponieważ trudno jest zamortyzować koszty stałe tych części) lub w przypadku niektórych geometrii (zoptymalizowanych specjalnie pod kątem druku 3D). Są one szczególnie opłacalne, gdy materiały są bardzo drogie, a tradycyjna produkcja form skutkuje wysokim wskaźnikiem odpadów.

Druk 3D może również pomóc w procesach produkcyjnych i zyskach, tworząc precyzyjne formy w ciągu kilku godzin. Jest to szczególnie przydatne, gdy zatrzymanie produkcji lub przechowywanie wielu narzędzi w magazynie jest kosztowne.

Wreszcie, czasami zdarza się, że forma musi zostać zmodyfikowana po rozpoczęciu produkcji. Elastyczność druku 3D pozwala inżynierom na wypróbowanie niezliczonych iteracji jednocześnie i może zmniejszyć koszty początkowe spowodowane modyfikacjami projektu formy.

Ulepszenia w projektowaniu form zwiększają funkcjonalność produktów końcowych.

Specjalna metalurgia druku 3D z metalu często poprawia mikrostrukturę metalu i wytwarza w pełni gęste drukowane części o właściwościach mechanicznych i fizycznych, które są tak dobre lub lepsze niż w przypadku materiałów kutych lub odlewanych (w zależności od obróbki cieplnej i orientacji testu).

Produkcja addytywna daje inżynierom nieograniczone możliwości ulepszania konstrukcji form. Gdy część docelowa składa się z kilku podzespołów, druk 3D ma możliwość zintegrowania projektu i zmniejszenia liczby części. Upraszcza to proces montażu produktu i zmniejsza tolerancje.

Ponadto może wykonywać złożone funkcje produktu, dzięki czemu można tworzyć wysoce funkcjonalne produkty końcowe szybciej i z mniejszą liczbą wad. Na przykład, ogólna jakość produktu Część formowana wtryskowo ma wpływ na warunki wymiany ciepła między wtryskiwanym materiałem a płynem chłodzącym przepływającym przez oprzyrządowanie. Jeśli wykonasz go w stary sposób, kanały przenoszące materiał chłodzący są zwykle proste, więc uformowana część stygnie wolniej i nierównomiernie.

Druk 3D może tworzyć kanały chłodzące o dowolnym kształcie, dzięki czemu można uzyskać chłodzenie konforemne, które jest bardziej zoptymalizowane i jednolite, dzięki czemu można wytwarzać części o wyższej jakości i mieć mniej odpadów. Ponadto, można szybciej odprowadzać ciepło, dzięki czemu można wykonać formowanie wtryskowe krótszy czas cyklu, ponieważ czas chłodzenia wynosi zwykle około 70% całości formowanie wtryskowe cykl.

Optymalizacja narzędzi w celu zwiększenia ergonomii i poprawy minimalnej wydajności

Druk 3D ułatwia walidację nowych narzędzi, które zaspokajają niezaspokojone potrzeby w produkcji, umożliwiając wprowadzenie do produkcji większej liczby ruchomych i stałych elementów. Tradycyjnie, narzędzia i odpowiadające im urządzenia były projektowane tak, aby działały jak najdłużej ze względu na znaczne koszty i wysiłek wymagany do ich przeprojektowania i wyprodukowania. Dzięki drukowi 3D firmy mogą odnowić dowolne narzędzie w dowolnym momencie, nie tylko te, które zostały złomowane i nie spełniają wymagań.

Przy niewielkim nakładzie czasu i kosztów początkowych, drukowanie 3D sprawia, że optymalizacja narzędzi pod kątem lepszej wydajności jest bardziej ekonomiczna. Dlatego też technicy mogą rozważyć większą ergonomię podczas projektowania, aby poprawić komfort obsługi, skrócić czas przetwarzania i uczynić go wygodniejszym w użyciu i przechowywaniu. Chociaż może to zaoszczędzić tylko kilka sekund czasu operacji montażu, nie jest to dużo. Ponadto, optymalizacja projektu narzędzia może również zmniejszyć wskaźnik złomowania części.

Niestandardowe formy pomagają spersonalizować produkt końcowy

Dzięki krótszym cyklom produkcyjnym, możliwości tworzenia bardziej złożonych kształtów i możliwości obniżenia ostatecznych kosztów produkcji, firmy mogą tworzyć wiele niestandardowych narzędzi, które pomagają w tworzeniu niestandardowych części. Formy do druku 3D są naprawdę dobre do produkcji niestandardowej, takiej jak sprzęt medyczny i sprzęt medyczny. Dzięki temu chirurdzy mogą otrzymać drukowane w 3D niestandardowe narzędzia, takie jak prowadnice i narzędzia chirurgiczne, dzięki czemu mogą wykonywać lepsze i szybsze operacje.

Wnioski

Podsumowując, wykorzystanie druku 3D do produkcji metalowych form odlewniczych zmienia zasady gry w branży produkcyjnej. Można tworzyć złożone, niestandardowe formy szybciej i łatwiej niż kiedykolwiek wcześniej. W porównaniu z tradycyjnym wytwarzaniem form, metoda ta ma duże zalety. Sprawia, że formy są szybsze, tańsze i lepsze. Możesz tworzyć formy, które robią więcej rzeczy, na przykład sprawiają, że narzędzia są wygodniejsze w użyciu i działają lepiej. Niestandardowe formy pomagają tworzyć niestandardowe części.

Ponadto można szybciej wypróbowywać i ulepszać projekty, dzięki czemu można tworzyć lepsze odlewy, ale trzeba pomyśleć o tym, z czego wykonana jest forma i jak ją wydrukować, aby upewnić się, że działa prawidłowo. Jeśli dobrze zaplanujesz i wykonasz swoją pracę, możesz wykorzystać druk 3D do lepszego i szybszego odlewania metali. Wraz z rozwojem technologii, druk 3D i odlewanie metali zmienią produkcję. Będzie można tworzyć rzeczy na nowe sposoby i wytwarzać ich więcej.