Wprowadzenie: Około 80% części z tworzyw sztucznych jest produkowanych przy użyciu formowania wtryskowego tworzyw sztucznych.Formowanie wtryskowe od dawna uważane jest za jedyny proces produkcji masowej. Dzięki innowacjom w technologii przemysłowej szybkie formowanie wtryskowe nie jest jedyną metodą opracowywania form.

Systemy CAD/CAM/CAE skracają czas projektowania i weryfikacji. Oprócz tego powstały nowe odmiany form. Aluminiowe formy wtryskowe i formy do druku 3D konkurują o rynek produkcyjny. Jaka jest między nimi różnica? Która forma sprawi, że Twój produkt będzie bardziej wydajny?

Oczywiście chcesz tworzyć prototypy szybciej, taniej i wyglądać tak dobrze, jak to tylko możliwe. Porównajmy aluminium i jakie są różnice między formami wtryskowymi drukowanymi w 3D.

Formy drukowane 3D

Czym jest forma drukowana 3D?

Drukowanie 3D to proces wykorzystywania plików cyfrowych do tworzenia trójwymiarowych obiektów. Najpierw komputerowe oprogramowanie 3D dzieli części na cyfrowe warstwy. Na platformie roboczej mechanizm podający umieszcza materiał zgodnie z warstwami cyfrowymi w określonym zakresie, podczas gdy źródło ciepła dostosowuje kształt. Dane są przetwarzane w celu zbudowania modelu poprzez ciągłe dodawanie materiału.

Jakie materiały są wykorzystywane w formach do druku 3D?

Materiały do druku 3D są niezwykle ważne dla technologii druku 3D. To właśnie materiały umożliwiają drukowanie 3D. Obecnie głównymi materiałami stosowanymi w druku 3D są tworzywa konstrukcyjne, żywice światłoczułe, materiały gumowe, materiały metalowe i materiały ceramiczne. Istnieją również materiały spożywcze, takie jak kolorowe materiały gipsowe, sztuczna mączka kostna, surowce biologiczne komórek i cukier, które są wykorzystywane w druku 3D.

Materiały te zostały stworzone specjalnie z myślą o maszynach i procesach druku 3D. Nie są to zwykłe tworzywa sztuczne, gips, żywice itp. Występują w różnych formach, takich jak proszek, filament, arkusz, ciecz itp. Wielkość cząstek materiałów proszkowych stosowanych w druku 3D wynosi zwykle od 1 do 100 mikrometrów, w zależności od rodzaju drukarki i warunków drukowania. Proszek musi być naprawdę okrągły, aby dobrze płynął.

Jakie są korzyści z używania form drukowanych 3D?

  Elastyczność projektowania

Podczas drukowania 3D nie musisz martwić się o takie rzeczy, jak mocowania i zakłócenia narzędzi. Można projektować pod kątem funkcji, w tym kanałów konwekcyjnych, zintegrowanych struktur i złożonych elementów. Można również zoptymalizować kształt, aby zmniejszyć wagę, uprościć produkcję, poprawić wykorzystanie materiału, rozwiązać problemy z trudnymi w obróbce częściami, rozwiązać problemy z deformacją po obróbce i tworzyć kształty, których nie można wykonać tradycyjnymi metodami.

Ekonomia produkcji małoseryjnej

Druk 3D nie wymaga form ani mocowania. Nie trzeba produkować wielu części, aby płacić za drogie formy. Można wyprodukować kilka lub nawet jedną część. Ekonomia produkcji małoseryjnej może obniżyć koszty zmian projektowych podczas opracowywania samolotów cywilnych.

Dobra przewidywalność produkcji

Na podstawie projektu można przewidzieć, jak długo potrwa drukowanie 3D części i jak bardzo się ona odkształci. Odkształcenie można przewidzieć i dostosować, zmieniając model projektowy. Wraz z rozwojem technologii druku 3D i technologii wsparcia można kontrolować czas potrzebny do wydrukowania części, jej jakość i dokładność. Oznacza to, że można mierzyć i kontrolować kształt części podczas projektowania i tworzenia cywilnego samolotu za pomocą druku 3D.

Ograniczenie montażu.

Wykorzystanie druku 3D do tworzenia zintegrowanych części zastępuje produkty, które muszą być składane z wielu części. Pozwala to zaoszczędzić na transporcie, montażu, instalacji elementów złącznych, spawaniu i innych procesach związanych z wieloma częściami. Zmniejsza to również koszty produkcji części poprzez eliminację zbędnych linii produkcyjnych.

Szybkie wykonanie

Na wczesnym etapie projektowania samolotów, od momentu stworzenia modelu 3D na komputerze do momentu uzyskania fizycznej części mija zwykle tylko kilkadziesiąt godzin. Nie trzeba czekać na wykonanie formy. Oznacza to, że nie musisz czekać na wykonanie nowej formy, jeśli zmienisz kształt części. Możesz szybciej wprowadzać zmiany w projekcie części i szybciej tworzyć nowe części.

Jakie są problemy z wykorzystaniem druku 3D do tworzenia form?

Dokładność

Jeśli dokładność formy wydrukowanej w 3D nie jest wysoka, na powierzchni pojawią się warstwy, które wpłyną na użytkowanie formy. Późniejsze usunięcie tych warstw wymaga obróbki mechanicznej lub piaskowania.

Ograniczenia materialne

Z technicznego punktu widzenia metoda budowania części warstwa po warstwie z materiałów różni się od tradycyjnego kucia lub odlewania. Mikrostruktura, rodzaje defektów, naprężenia szczątkowe, możliwość inspekcji, wymagania dotyczące obróbki końcowej oraz wydajność strukturalna i trwałość wytwarzanych materiałów różnią się od tradycyjnych metod.

W przypadku złożonych części wartości projektowe materiału mogą nie odzwierciedlać rzeczywistej wydajności konstrukcji i konieczne jest sprawdzenie, czy materiał i proces wspólnie wpływają na wydajność strukturalną poprzez testy strukturalne wyższe niż poziom próbki testowej.

Ograniczone wykrywanie wad

Proces produkcyjny druku 3D jest skomplikowany do kontrolowania. Wykorzystuje on procesy produkcji warstwowej i produkcji warstwa po warstwie. Jakość połączeń między warstwami nie może być tak jednolita, jak w przypadku precyzyjnych części kutych.

Technologia druku 3D jest ograniczona przez nieodłączne zasady formowania. Części wykonane w technologii druku 3D, zwłaszcza części metalowe, mają wewnętrzne wady produkcyjne, w tym głównie puste przestrzenie, mikropęknięcia, słabe topienie i inne wady.

Rozmiar tych defektów jest zazwyczaj mniejszy niż 20 μm, mniej niż próg ogólnych nieniszczących metod testowania, a defekty te są źródłem inicjacji pęknięć, poważnie wpływając na wydajność zmęczeniową konstrukcji. Precyzyjna kontrola jest trudna W procesie drukowania 3D istnieje wiele czynników, które wpływają na jakość procesu, od oprogramowania i sprzętu samego urządzenia po materiały formujące i procesy formowania.

Praktyka inżynierska pokazuje, że kluczowymi czynnikami wpływającymi na dokładność druku 3D są kontrola mechaniczna, przetwarzanie danych modelu, charakterystyka materiału i kontrola parametrów formowania. Czynniki te kontrolują ilość dodawanego materiału, rozmiar jednostki drukującej 3D i dokładność ruchu systemu, które określają dokładność części w kierunku akumulacji i minimalną zdolność produkcyjną części.

Poprawa dokładności druku 3D wymaga zmniejszenia ilości dodawanego materiału, kontrolowania rozmiaru jednostki drukującej 3D i poprawy dokładności ruchu systemu. Możliwości te są jednak trudne do dalszej poprawy w ramach krótkoterminowych badań.

Formy aluminiowe

Jakie są cechy charakterystyczne form aluminiowych?

Główne cechy form aluminiowych to niewielka waga, wysoka nośność i krótki czas obrotu. Podczas procesu budowy charakteryzują się wysoką jakością konstrukcji, precyzją, stabilnością, łatwą instalacją i krótkimi okresami budowy, co pozwala zaoszczędzić koszty.

Ich wady są następujące: konserwacja i regulacja na miejscu nie są dostępne i wymagana jest pełna konfiguracja. Mają słabą zdolność adaptacji do zmian strukturalnych, a koszt projektów z wieloma zmianami jest wysoki. Gdy obróbka powierzchni nie jest dobra, stop aluminium reaguje chemicznie z betonem, wpływając na wygląd betonu. Elementy złączne form aluminiowych są podatne na konflikty z układem rurociągów.

Jakie są zalety form aluminiowych?

Doskonała wydajność funkcjonalna

Niektóre prototypy nie mają żadnego mechanicznego lub funkcjonalnego wpływu, podczas gdy inne muszą być używane. Działają prototypy przedprodukcyjne, hybrydowe i funkcjonalne. Dlatego potrzebna jest dobra jakość i wytrzymałość. Aluminium jest wybieranym metalem, ponieważ ma świetne właściwości.

Wyższa odporność na ciepło

Aluminiowe prototypy radzą sobie z ekstremalnymi temperaturami lepiej niż tańsze opcje, takie jak plastik. Jest więc mniej prawdopodobne, że ulegną degradacji podczas procesu produkcyjnego.

Lepsza estetyka

Niezależnie od tego, czy korzystasz z druku 3D, czy technologii obróbki CNC, metalowe prototypy wyglądają lepiej. Co więcej, nawet niefunkcjonalny prototyp wygląda lepiej niż plastikowa część.

Efektywność kosztowa

Aluminiowe prototypy i części metalowe są znacznie tańsze w porównaniu do części plastikowych. Dzieje się tak dlatego, że właściwości fizyczne metalu zmniejszają częstotliwość wymiany części. Zmniejsza to koszty produkcji w dłuższej perspektywie.

Dokładność testu

Prototypy produkowane w procesach takich jak obróbka CNC charakteryzują się wysoką precyzją. Ponadto, stopy aluminium mają doskonałą jakość i mogą produkować części do kontroli rynkowej.

Bardziej nadaje się do produkcji masowej

Gdy inżynierowie stworzą aluminiowy prototyp, klienci mogą wykorzystać go do produkcji. Łatwiej jest przekształcić metalowe prototypy w gotowe produkty. Jeśli jednak prototyp jest wykonany z tworzywa sztucznego, nie można go przekształcić w metal do masowej produkcji.

Jakie są ograniczenia form aluminiowych?

Ograniczona żywotność

Ze względu na swoją miękkość, formy aluminiowe mają ograniczoną żywotność, zwłaszcza gdy są poddawane procesom formowania pod wysokim ciśnieniem lub materiałom ściernym.

Odporność na ciepło

Aluminium ma niższą odporność na ciepło. Ograniczenie to może ograniczać rodzaje materiałów, które mogą być używane podczas procesu formowania, ponieważ niektóre materiały wymagają wyższych temperatur niż aluminium może wytrzymać.

Różnica między drukiem 3D a formami aluminiowymi

Jakie są różnice między drukiem 3D a formami aluminiowymi?

Metody produkcji i formowania

Metody produkcji i formowania w obu przypadkach różnią się od siebie. Technologia druku 3D to technologia wykorzystująca materiały adhezyjne, takie jak sproszkowany metal lub plastik, do drukowania i konstruowania obiektów warstwa po warstwie. Jest ona realizowana przy użyciu cyfrowej drukarki materiałów. Poprzez gromadzenie i dodawanie krok po kroku, drukowane jest ostateczne dzieło. W przypadku produkcji form aluminiowych oprogramowanie do modelowania 3D służy do rysowania rysunków form, a efekt formowania uzyskuje się poprzez ciągłe regulacje.

Dokładność precyzji

Precyzyjna dokładność obu jest różna. Na dokładność druku 3D składa się wiele czynników. Dokładność drukarki 3D, jakość wybranych materiałów i dokładność rysunków modelu 3D decydują o dokładności produktu. Precyzyjna dokładność form aluminiowych zależy głównie od rzeczywistych potrzeb użytkownika w celu potwierdzenia precyzji.

Czas realizacji

Czas realizacji to czas między rozpoczęciem opracowywania formy a momentem, w którym część jest gotowa do produkcji. Metody projektowania i obliczenia dla obu form są w rzeczywistości różne, ale etap produkcji jest miejscem, w którym zachodzą znaczące zmiany.

Formy aluminiowe są wykonywane z aluminiowych półfabrykatów przy użyciu obróbki CNC i operacji wykończeniowych. W niektórych przypadkach wymagana jest dodatkowa obróbka elektroerozyjna (EDM), jeśli wnęka musi mieć ostre rogi, których nie można uzyskać przez frezowanie. Zazwyczaj obróbka polega głównie na obróbce mechanicznej, nie jest wymagana obróbka cieplna i prawie nie są wymagane żadne specjalistyczne narzędzia. Przeciętna forma aluminiowa jest produkowana w ciągu 10 do 15 dni.

Formy drukowane 3D są tworzone przy użyciu procesu wytwarzania przyrostowego opartego na spiekaniu metali. Wiele drobnych proszków metali jest spiekanych warstwa po warstwie w celu utworzenia wnęki formy wtryskowej. Główną zaletą tego procesu jest to, że wymaga on niewielkiego przygotowania produkcyjnego i nie wymaga narzędzi. Średni czas tworzenia takiej formy wynosi zaledwie 2-3 dni.

Stabilność

Stabilność to w zasadzie liczba części, które forma może wyprodukować, zanim się zestarzeje. Ważna informacja, jeśli chcesz wyprodukować partię produktu.

Narzędzia aluminiowe są wykonane z bardziej miękkich materiałów, ale niektóre stopy aluminium są naprawdę wytrzymałe. Oznacza to, że forma może wykonać do 5000 części. Średnia wynosi 100-2000 egzemplarzy.

Formy drukowane 3D są najgorsze pod względem stabilności. Istnieje wiele problemów z komorami spiekania. Są one porowate i nie tak wytrzymałe jak półfabrykaty. Teraz drukowane w 3D wnęki mogą wytwarzać partie od 50 do 200 części.

Czas cyklu

Czas cyklu to czas potrzebny do wyprodukowania jednej części. Jest to suma czasu wtrysku, czasu chłodzenia i czasu wyrzutu. Czas wtrysku to czas potrzebny do wypełnienia formy tworzywem sztucznym. Czas chłodzenia to czas potrzebny do ostygnięcia i zestalenia tworzywa sztucznego. Czas wyrzutu to czas potrzebny na usunięcie części z formy.

Formy aluminiowe mają czas cyklu 44-70 sekund. Jest to dość imponujące, gdy zaczynamy mówić o tysiącach części. Formy drukowane 3D mają czas cyklu 150-250 sekund.

Dokładność części i wykończenie powierzchni

Jakość części jest jednym z najważniejszych czynników. W końcu ta część będzie służyć jako integralna część większego mechanizmu i może być prezentowana przyszłym inwestorom. Część musi wyglądać profesjonalnie.

Dokładność aluminiowych form wtryskowych zależy jedynie od możliwości ich obróbki i polerowania. Natomiast dokładność form drukowanych w 3D zależy od procesu produkcji addytywnej. AM obejmuje topienie i chłodzenie materiałów, a odkształcenia termiczne mogą znacznie zmniejszyć dokładność. Nowoczesna technologia może wytwarzać stalowe i aluminiowe gniazda form z tolerancjami do IT6, a także formy drukowane 3D z tolerancjami do IT9.

Elastyczność

Elastyczność ma kluczowe znaczenie w przypadku prototypów przedprodukcyjnych, gdy testujesz tylko wygląd i działanie produktu końcowego. Po zakończeniu wstępnego prototypowania przy użyciu określonych materiałów, będziesz musiał przetestować materiały, które początkowo wybrałeś dla swojego produktu, a także przetestować procedury produkcyjne.

W większości przypadków napotkasz pewne problemy, które zmuszą Cię do modyfikacji projektu. Na przykład podczas testów wykryto pewne wady lub proces wtrysku spowodował powstanie porowatych części. W takiej sytuacji należy zmienić zarówno projekt, jak i formę. Różne materiały form mają różną elastyczność

Formy aluminiowe są wykonane z bardziej miękkich materiałów, a ich wnęki są zwykle produkowane jako oddzielne części, które pasują do podstawy formy. Dlatego też znacznie łatwiej jest usunąć wnękę i dokonać regulacji.

Modyfikacja form drukowanych 3D jest trudna, ponieważ wymaga obróbki części wnęki, a wykończenie powierzchni będzie nierówne, ponieważ obróbka zapewnia lepsze wykończenie powierzchni. Łatwiej jest całkowicie przerobić formę, co nie zajmuje dużo czasu, ale wiąże się z niepożądanymi dodatkowymi kosztami prototypowania i testów przedseryjnych.

Wnioski

Pierwotnie stworzony jako metoda szybkiego prototypowania, znana również jako produkcja addytywna, druk 3D przekształcił się w prawdziwy proces produkcyjny. Drukarki 3D umożliwiają inżynierom i firmom jednoczesne wytwarzanie prototypów i produktów końcowych, oferując znaczące korzyści w porównaniu z tradycyjnymi procesami produkcyjnymi.

Podsumowując, główne różnice między formami drukowanymi w 3D a formami aluminiowymi obejmują różne metody formowania produkcyjnego, różną dokładność wytrzymałości, różne czasy realizacji, różną stabilność, różne czasy produkcji, różną dokładność części i wykończenie powierzchni oraz różną elastyczność.