Słowo wstępne: Szybko rozwijająca się i wysoce konkurencyjna branża formowania wtryskowego jest warta setki miliardów dolarów, co skłania producentów do poszukiwania bardziej wydajnych i tańszych metod, aby wyprzedzić konkurencję. Druk 3D, znany również jako produkcja addytywna, pomaga producentom tworzyć lepsze formy wtryskowe i oprzyrządowanie szybciej i taniej niż w przypadku tradycyjnych procesów. Ten artykuł wyjaśnia głównie, dlaczego warto wybrać druk 3D do produkcji form.

Zalety i wady drukowania 3D form do metalu

Jak drukować 3D formy do metalu?

Druk 3D rozszerza zakres dostępnych materiałów, wykorzystuje spiekanie laserowe do tworzenia warstw i przekształca rysunek CAD w ostateczny trójwymiarowy produkt.

Jakie są zalety form metalowych definiowanych w 3D?

Ulepszenia w projektowaniu form zwiększają funkcjonalność produktów końcowych

Specjalna metoda metalurgiczna stosowana w druku 3D z metalu może poprawić mikrostrukturę metalu i stworzyć w pełni gęste drukowane części. Metoda ta umożliwia integrację złożonych funkcji produktu, ułatwiając w ten sposób wytwarzanie wysoce funkcjonalnych produktów końcowych w bardziej wydajny sposób z mniejszą liczbą wad.

Na przykład, na jakość części formowanej wtryskowo duży wpływ mają warunki wymiany ciepła między wtryskiwanym materiałem a płynem chłodzącym krążącym w oprzyrządowaniu. Tradycyjne procesy produkcyjne zazwyczaj charakteryzują się prostymi kanałami dla materiału chłodzącego, co prowadzi do wolniejszego i nierównomiernego efektu chłodzenia formowanej części.

Druk 3D pozwala natomiast na tworzenie kanałów chłodzących o dowolnym kształcie, zapewniając bardziej zoptymalizowane i jednolite chłodzenie. To z kolei przekłada się na wyższą jakość części i niższy odsetek odpadów. Co więcej, przyspieszone rozpraszanie ciepła znacznie skraca czas cyklu formowania wtryskowego, ponieważ chłodzenie zazwyczaj stanowi do 70% całego czasu trwania cyklu.

Optymalizacja narzędzi w celu zwiększenia ergonomii i poprawy minimalnej wydajności

Druk 3D znacznie zmniejsza barierę dla walidacji nowych narzędzi w celu zaspokojenia niezaspokojonych potrzeb w produkcji, umożliwiając tworzenie większej liczby ruchomych i stałych urządzeń. W przeszłości narzędzia i powiązane z nimi urządzenia były projektowane tak, aby zmaksymalizować ich trwałość, biorąc pod uwagę znaczne wydatki i wysiłki związane z ich przeprojektowaniem i produkcją.

Dzięki wykorzystaniu technologii druku 3D firmy zyskują elastyczność w zakresie odnawiania dowolnych narzędzi w dowolnym momencie, nie tylko tych, które zostały odrzucone z powodu niespełnienia wymagań.

Druk 3D, wymagający minimalnego nakładu czasu i początkowej inwestycji, sprawia, że ulepszanie narzędzi w celu uzyskania najwyższej wydajności jest bardziej opłacalne. W rezultacie technicy są w stanie nadać priorytet aspektom takim jak ergonomia w swoich projektach, aby zwiększyć komfort pracy, skrócić czas przetwarzania oraz poprawić łatwość obsługi i wygodę przechowywania. Chociaż te ulepszenia mogą skutkować jedynie marginalnym skróceniem czasu montażu, nie należy lekceważyć ich łącznego wpływu.

Co więcej, optymalizacja projektu narzędzia może również zmniejszyć wskaźnik odpadów części. Taka sama jakość jak w przypadku form obrabianych maszynowo; możliwość tworzenia konforemnych kanałów chłodzących; mniejsze zużycie surowców i szybsze niż w przypadku form obrabianych maszynowo; możliwość drukowania wielu wersji form jednocześnie; większe możliwości zastosowań, odpowiednie dla producentów outsourcingowych; zapobieganie wyciekom danych, wewnętrzne rozwiązanie chroniące własność intelektualną; Części formowane wtryskowo mają tę samą jakość.

Krótsze cykle produkcyjne, możliwość wytwarzania bardziej złożonych geometrii i niższe koszty produkcji końcowej pozwalają firmom na tworzenie dużej liczby spersonalizowanych narzędzi wspierających produkcję niestandardowych części.

Niestandardowe formy pomagają dostosować produkt końcowy, a formy do druku 3D są bardzo korzystne dla niestandardowej produkcji, takiej jak sprzęt medyczny i przemysł medyczny. Może zapewnić chirurgom spersonalizowane narzędzia drukowane w 3D, takie jak prowadnice chirurgiczne i narzędzia, pozwalając im poprawić wyniki chirurgiczne i skrócić czas operacji.

Jakie są wady drukowania 3D form metalowych?

Może trwać dłużej i kosztować więcej niż obróbka skrawaniem; wymaga więcej czasu na wstępne projektowanie; i wymaga wyższych umiejętności. Obróbka po obróbce może być nadal konieczna, aby spełnić wymagania dotyczące dokładności, a rozmiary form są ograniczone. Najczęściej stosowane materiały to stal nierdzewna i stal narzędziowa.

Jakie są typowe przykłady drukowania 3D form metalowych?

Bridgestone

Tworzenie wysokiej jakości opon całorocznych. Tradycyjnie, formy do opon były tworzone poprzez ręczne mocowanie pasków i metalowych bloków w określonym wzorze do podstawowej formy. Metalowe elementy o prostej geometrii były wykonywane przy użyciu konwencjonalnych narzędzi do obróbki skrawaniem.

Jednak Bridgestone zastosował najnowocześniejszą technologię, wykorzystując maszyny SLM niemieckiego producenta SLM Solutions do produkcji metalowych form drukowanych w 3D. To innowacyjne podejście umożliwia inżynierom tworzenie form o kształtach i wzorach, które wcześniej były nieosiągalne.

Dzięki przeprojektowaniu form można poprawić właściwości trakcyjne opon bez uszczerbku dla ich trwałości. SLM Solutions dokonało niezwykłego wyczynu, z powodzeniem drukując 3D stalową formę opony o grubości zaledwie 0,3 mm w najcieńszym miejscu. Bridgestone nie jest jedynym gigantem w branży wykorzystującym technologię druku 3D; Michelin oferuje opony produkowane przy użyciu tej zaawansowanej techniki od 2013 roku.

Eplus3D Cupping

W przeszłości producenci stosowali tradycyjne formowanie wtryskowe do produkcji kubków o niskiej przezroczystości i niskiej wydajności formowania wtryskowego. Głównym powodem jest to, że forma do kubków produkowana w tradycyjnej technologii CNC może przetwarzać tylko pionowe kanały chłodzące, które nie mogą skutecznie chłodzić formy. Forma wtryskowa do kubków produkowana przez drukarkę 3D EP-M250 SLM posiada złożoną metalową formę z konformalnym kanałem chłodzącym, wyprodukowaną przy użyciu drukarki 3D Eplus3D EP-M250 SLM.

Osiągnięcie temperatury natrysku zajmuje tylko 16,63 sekundy. Jest to znacząca poprawa w porównaniu z tradycyjnymi formami, które potrzebują 22,97 sekundy, co skutkuje skróceniem czasu o ponad 6 sekund i zwiększeniem wydajności wtrysku o około 26%.

Jakie są technologie i materiały form metalowych?

Technologia form metalowych obejmuje głównie

Selektywne topienie laserowe (SLM)

podejście w produkcji addytywnej materiałów metalowych. Pomimo możliwości uzyskania skomplikowanych detali dzięki temu procesowi, dodatkowa obróbka pozostaje powszechna. Obecnie, ze względu na koszty i szybkość przetwarzania, jest mało prawdopodobne, aby druk 3D z metalu całkowicie zastąpił obróbkę narzędzi do formowania wtryskowego. Zamiast tego służy jako uzupełnienie, które zwiększa wydajność całej produkcji.

Bezpośrednie osadzanie energii (DED)

Laser tworzy stopiony basen w obszarze osadzania i przesuwa go z dużą prędkością. Materiał jest bezpośrednio wysyłany do obszaru topienia w wysokiej temperaturze w postaci proszku lub żarnika i jest osadzany warstwa po warstwie po stopieniu. Metoda ta umożliwia tworzenie form metalowych dla różnych materiałów metalowych. Na przykład, górna warstwa ze stali nierdzewnej może być nakładana na podłoże z czystej miedzi, aby połączyć wysoką przewodność cieplną z odpornością na zużycie, czyli właściwościami wymaganymi przez formowanie wtryskowe narzędzia.

Materiały form metalowych obejmują głównie

W zależności od rodzaju materiału, materiały metalowe do druku 3D można podzielić na stopy na bazie żelaza, tytan i stopy na bazie tytanu, stopy na bazie niklu, stopy kobaltowo-chromowe, stopy aluminium, stopy miedzi i metale szlachetne.

Stop na bazie żelaza

Stopy na bazie żelaza są rodzajem stopu, który był badany wcześniej i dogłębniej w materiałach metalowych do druku 3D. Najczęściej stosowane stopy na bazie żelaza obejmują stal narzędziową, stal nierdzewną 316L, stal szybkotnącą M2, stal formierską H13 i stal maraging 15-5PH itp. Stopy na bazie żelaza charakteryzują się niskim kosztem, wysoką twardością, dobrą wytrzymałością i dobrą skrawalnością, co czyni je szczególnie odpowiednimi do produkcji form.

Drukowanie 3D konformalnych form kanałów wodnych jest głównym zastosowaniem stopów na bazie żelaza. Kanały wodne o specjalnych kształtach są trudne do obróbki w tradycyjnych procesach. Druk 3D może jednak kontrolować układ kanałów chłodzących, aby był zasadniczo zgodny z geometrią wnęki, co może poprawić jednorodność pola temperatury i skutecznie zmniejszyć wady produktu i wydłużyć żywotność formy.

Tytan i stopy tytanu

Tytan i stopy tytanu stały się idealnymi materiałami w dziedzinie urządzeń medycznych, sprzętu chemicznego, sprzętu lotniczego i sportowego ze względu na ich niezwykłą wysoką wytrzymałość właściwą, dobrą odporność na ciepło, odporność na korozję i dobrą biokompatybilność. Jednak stopy tytanu są zazwyczaj materiałami trudnymi w obróbce.

Są one narażone na wysokie naprężenia, wysoką temperaturę i poważne zużycie narzędzi podczas przetwarzania, co ogranicza szerokie zastosowanie stopów tytanu. Technologia druku 3D jest szczególnie odpowiednia do produkcji tytanu i jego stopów. Po pierwsze, drukowanie 3D odbywa się w atmosferze ochronnej. Tytan nie reaguje łatwo z takimi pierwiastkami jak tlen i azot. Szybkie nagrzewanie i chłodzenie mikroobszarów ogranicza również ulatnianie się pierwiastków stopowych;

Po drugie, złożone kształty można wytwarzać bez obróbki skrawaniem, a stopień wykorzystania materiału w oparciu o materiały proszkowe lub drutowe jest wysoki, co nie powoduje marnotrawstwa surowców i znacznie obniża koszty produkcji. Obecnie rodzaje drukowanego 3D tytanu i stopów tytanu obejmują czysty Ti, Ti6A14V (TC4) i Ti6A17Nb, które mogą być szeroko stosowane w częściach lotniczych (rysunek 3) i sztucznych implantach (takich jak kości, zęby itp.).

Zalety i wady plastikowych form do druku 3D

Jak drukować plastikowe formy 3D?

Wykorzystanie trwałych i odpornych na ciepło materiałów w połączeniu z plastikową (lub polimerową) drukarką 3D umożliwia firmom wewnętrzną produkcję form wtryskowych lub szybkie pozyskiwanie ich od usługodawcy.

Jakie są zalety drukowania 3D form z tworzyw sztucznych?

Optymalizacja narzędzi w celu zwiększenia ergonomii i poprawy minimalnej wydajności

Druk 3D zmniejsza bariery w walidacji nowych narzędzi, które zaspokajają niezaspokojone potrzeby produkcyjne, umożliwiając integrację większej liczby ruchomych i stałych elementów z procesami produkcyjnymi. Konwencjonalnie, narzędzia i powiązany z nimi sprzęt były projektowane pod kątem maksymalnej trwałości, aby uniknąć znacznych kosztów i pracy związanych z przeprojektowaniem i produkcją. Dzięki technologii druku 3D firmy mogą teraz odnowić dowolne narzędzie w dowolnym momencie, nie ograniczając się tylko do tych, które zostały odrzucone i uznane za nieodpowiednie.

Niski koszt

Tradycyjne metody produkcji form wtryskowych są zazwyczaj drogie i czasochłonne, ponieważ wymagają precyzyjnych maszyn i specjalistycznej wiedzy od producenta form. Z drugiej strony, druk 3D oferuje bardziej opłacalną alternatywę dla produkcji form.

Bezpośrednie drukowanie form z drukarki 3D może być odpowiednie dla części o małej objętości (od 100 do 10 000+, w zależności od materiału) i może kosztować do 90% mniej niż formy metalowe. Druk 3D z tworzyw sztucznych staje się preferowaną metodą produkcji form, gdy kluczowymi czynnikami są krótki czas realizacji i niskie koszty.

Według raportów, formy do druku 3D mogą zaoszczędzić nawet 80% kosztów w porównaniu do tradycyjnych technologii. Są one znacznie szybsze i tańsze niż tradycyjna produkcja form metalowych. Wiele wersji form może być drukowanych jednocześnie, oferując większe możliwości zastosowania i czyniąc je odpowiednimi dla producentów outsourcingowych. To wewnętrzne rozwiązanie zapobiega wyciekowi danych i chroni prawa własności intelektualnej, zapewniając, że Części formowane wtryskowo utrzymać tę samą jakość.

Druk 3D wymaga mniejszej liczby etapów niż obróbka skrawaniem, a do ukończenia formy i części potrzeba średnio tylko sześciu dni roboczych. W rzeczywistości produkcja form może zostać ukończona w ciągu zaledwie kilku godzin, dzięki czemu proces ten jest szybki i wydajny.

Złożone formy wtryskowe mogą być teraz drukowane 3D przy użyciu rozpuszczalnych żywic, plastikowych (lub polimerowych) drukarek 3D i trwałych, odpornych na temperaturę materiałów. Postęp ten pozwala firmom produkować własne formy we własnym zakresie lub łatwo zamawiać je od usługodawców.

Jakie są wady plastikowych form do druku 3D?

Formy z tworzyw sztucznych zwykle wykazują niższą przewodność cieplną w porównaniu do form metalowych, co prowadzi do wydłużenia czasu chłodzenia części formowanych wtryskowo. Dodatkowo, mają one tendencję do szybszej degradacji niż ich metalowe odpowiedniki, często wymagając procesów obróbki końcowej w celu osiągnięcia precyzyjnej dokładności. Co więcej, formy z tworzyw sztucznych mają ograniczone rozmiary.

Jakie są typowe przykłady plastikowych form do druku 3D?

Zetar Mold

Zetar Mold to firma zajmująca się formowaniem wtryskowym z siedzibą w ShangHai w Chinach, która oferuje szybkie tworzenie form i usługi formowania wtryskowego małych partii. W odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na produkcję małoseryjną, Zetar Mold wykorzystał technologię druku 3D do tworzenia opłacalnych form z tworzyw sztucznych do szybszej produkcji mniejszych zamówień. Podczas poszukiwań odkryli, że drukarka 3D SLA firmy Formlabs, w połączeniu z wypełnionym szkłem materiałem żywicznym Rigid 10K Resin, idealnie pasuje do ich przemysłowej wtryskarki Babyplast.

Wykorzystując Formlabs, Zetar Mold jest w stanie szybko produkować formy wtryskowe drukowane w 3D. Po fazie projektowania, Zetar Mold może wydrukować i przeprowadzić obróbkę formy w ciągu jednego dnia. Integrując wydrukowaną część z istniejącą metalową ramą formy, montaż można zakończyć w ciągu zaledwie trzydziestu minut, umożliwiając natychmiastowe rozpoczęcie produkcji. Proces formowania wtryskowego. Podczas gdy każda forma jest zwykle ograniczona do około 100 zastosowań, Zetar Mold może jednocześnie drukować wiele form, aby pomieścić większe ilości zamówień.

Drukarki 3D Markforged do produkcji form termoutwardzalnych. Firma potrzebowała trwałej formy termoutwardzalnej, która zastąpiłaby kosztowny proces silikonowy zlecany na zewnątrz, zdolnej do wytrzymania znacznych sił zacisku przy wystawieniu na działanie temperatur do 150°C.

Markforged z powodzeniem stworzył formę w ciągu około 60 godzin przy użyciu drukarki 3D X7 i materiałów Onyx, przy koszcie około $240 za formę. Dla porównania, produkcja form silikonowych wymagała 144 godzin i wiązała się z wydatkami rzędu $1,000 za formę.

Addifab

Produkcja prototypów przy użyciu tego samego projektu i materiałów, co produkt końcowy, może znacznie usprawnić i przyspieszyć proces testowania prototypów. Addifab, startup z siedzibą w Belgii, specjalizuje się w dostarczaniu drukowanych w 3D form do formowania wtryskowego.

Addifab oferuje zastrzeżony materiał żywiczny do form do druku 3D, który może wytrzymać ciśnienie wtrysku do 2500 barów i temperaturę topnienia 450°C. Następnie forma całkowicie rozpuszcza się w wodnym roztworze alkalicznym w ciągu 12 do 48 godzin. Addifab wykorzystuje tę rozpuszczalną żywicę do drukowania 3D form wtryskowych.

Wilson Sporting Goods wykorzystał ostatnio żywicę Addifab na swojej wielkoformatowej drukarce Nexa3D NXE 400 do wydajnej produkcji wielu wersji form wtryskowych do nowych uchwytów kijów baseballowych.

Jakie są materiały na formy plastikowe?

nylon

Charakterystyka materiału: Nylon charakteryzuje się odpornością na wysokie temperatury, dobrą ciągliwością i wysoką wytrzymałością. W porównaniu z innymi materiałami, nylon ma doskonałe właściwości, takie jak wysoka płynność, niska elektryczność statyczna, niska absorpcja wody, umiarkowana temperatura topnienia i wysoka dokładność wymiarowa produktów.

Jego odporność na zmęczenie i wytrzymałość mogą również zaspokoić potrzeby elementów, które wymagają wyższych właściwości mechanicznych. Jest to tworzywo konstrukcyjne. Idealny materiał do druku 3D.
Typowe zastosowania: obudowy i obudowy, konsumenckie artykuły sportowe, złożone prototypy części z tworzyw sztucznych oraz prototypy kształtu, montażu lub funkcjonalne.

Wysokowydajny nylon

Kluczowe atrybuty: Plastyczny, elastyczny materiał o wysokiej trwałości, wydajności i odporności na uderzenia
Typowe zastosowania: Odporne na uderzenia prototypy, przyrządy, mocowania, cienkościenne rury i obudowy, zatrzaski, klipsy i zawiasy.

Importowana żywica światłoczuła

Charakterystyka materiału: Światłoczułe materiały żywiczne są szeroko stosowane ze względu na ich wysoką gładkość i trwałość. Części wydrukowane z tego materiału mogą być poddawane procesom obróbki końcowej, takim jak szlifowanie, polerowanie, malowanie, natryskiwanie, galwanizacja i sitodruk. Jego wydajność jest podobna do inżynieryjnego tworzywa ABS. Dzięki wysokiej precyzji i delikatnej powierzchni, może być stosowany nie tylko do części o wyglądzie zewnętrznym, ale także do weryfikacji strukturalnej, montażowej i funkcjonalnej.

Typowe zastosowania: urządzenia domowe, szybka produkcja, modele prototypowe, produkty elektroniczne, edukacja i badania naukowe, modele architektoniczne, modele artystyczne, produkcja samochodów i inne dziedziny.

Wnioski

Szybko rozwijająca się i wysoce konkurencyjna branża formowania wtryskowego, warta setki miliardów dolarów, skłoniła producentów do poszukiwania bardziej wydajnych i opłacalnych sposobów na wyprzedzenie konkurencji.

Druk 3D, znany również jako produkcja addytywna, umożliwia tym firmom wytwarzanie doskonałych form wtryskowych i oprzyrządowania szybciej i taniej niż w przypadku tradycyjnych procesów. Można argumentować, że formy do druku 3D rewolucjonizują branżę produkcji form.