Предисловие: Быстрорастущая и высококонкурентная индустрия литья под давлением оценивается в сотни миллиардов долларов, поэтому производители ищут более эффективные и дешевые способы сохранить преимущество. 3D-печать, также известная как аддитивное производство, помогает быстрее и дешевле традиционных процессов создавать более качественные литьевые формы и оснастку. В этой статье объясняется, почему для изготовления форм стоит выбрать 3D-печать.

Преимущества и недостатки 3D-печати металлических форм

Как 3D-печатать металлические формы?

3D-печать расширяет диапазон доступных материалов, использует лазерное спекание для создания слоев и превращает чертеж CAD в конечный трехмерный продукт.

Каковы преимущества металлических форм с 3D-определением?

Усовершенствования в конструкции пресс-форм повышают функциональность конечных продуктов

Специальный металлургический метод, используемый в металлической 3D-печати, позволяет улучшить микроструктуру металла и создать полностью плотные печатные детали. Этот метод позволяет интегрировать сложные функции изделия, что способствует производству высокофункциональных конечных продуктов более эффективным способом и с меньшим количеством дефектов.

Например, на качество литой под давлением детали в значительной степени влияют условия теплообмена между впрыскиваемым материалом и охлаждающей жидкостью, циркулирующей через приспособление для оснастки. Традиционные производственные процессы обычно предусматривают прямые каналы для охлаждающего материала, что приводит к замедлению и неравномерному охлаждению литой детали.

В отличие от этого, 3D-печать позволяет создавать каналы охлаждения любой желаемой формы, обеспечивая конформное охлаждение, более оптимизированное и равномерное. Это, в свою очередь, приводит к получению деталей более высокого качества и снижению количества брака. Кроме того, ускоренный отвод тепла значительно сокращает время цикла литья под давлением, поскольку охлаждение обычно составляет до 70% от всей продолжительности цикла.

Оптимизация инструментов для повышения эргономичности и улучшения минимальной производительности

3D-печать значительно снижает барьер для проверки новых инструментов, направленных на удовлетворение неудовлетворенных потребностей производства, позволяя создавать большее количество подвижных и неподвижных приспособлений. Исторически сложилось так, что инструменты и связанные с ними устройства разрабатывались с расчетом на максимальную долговечность, учитывая значительные затраты и усилия, связанные с их перепроектированием и производством.

Благодаря использованию технологии 3D-печати компании получают возможность в любой момент отремонтировать любой инструмент, а не только тот, который был отменен из-за несоответствия требованиям.

Требуя минимальных затрат времени и первоначальных инвестиций, 3D-печать делает более рентабельным усовершенствование инструментов для повышения их предельной производительности. Следовательно, технические специалисты могут уделять первостепенное внимание таким аспектам, как эргономика, чтобы повысить комфорт работы, сократить продолжительность обработки, улучшить удобство использования и хранения. Хотя эти усовершенствования могут привести лишь к незначительному сокращению времени сборки, не стоит недооценивать их совокупный эффект.

Кроме того, оптимизация конструкции оснастки может снизить процент брака деталей. Качество такое же, как у механически обработанных форм; можно создавать конформные каналы охлаждения; расходуется меньше сырья и изготовление быстрее механической обработки; можно одновременно печатать несколько версий формы; больше вариантов применения, подходит подрядным производителям; предотвращает утечку Data, внутреннее решение защищает интеллектуальную собственность; литьевые детали имеют такое же качество.

Более короткие производственные циклы, возможность изготовления более сложных геометрических форм и более низкая стоимость конечного производства позволяют компаниям создавать большое количество персонализированных инструментов для поддержки производства деталей по индивидуальным заказам.

Индивидуальные формы помогают настроить конечный продукт, а формы для 3D-печати очень полезны для индивидуального производства, например, медицинского оборудования и медицинской промышленности. Она может обеспечить хирургов 3D-печатными персонализированными инструментами, такими как хирургические направляющие и инструменты, что позволит им улучшить результаты хирургических операций и сократить время их проведения.

Каковы недостатки 3D-печати металлических форм?

Может занимать больше времени и стоить дороже, чем механическая обработка; требует больше времени на предварительное проектирование и требует более высокой квалификации. Для соблюдения требований к точности может потребоваться последующая обработка, а размеры пресс-форм ограничены. Наиболее часто используемые материалы - нержавеющая сталь и инструментальная сталь.

Каковы типичные примеры 3D-печати металлических форм?

Bridgestone

Создание высококачественных всесезонных шин. Традиционно формы для шин изготавливались путем ручного крепления полос и металлических блоков по определенному шаблону к основной форме. Металлические компоненты с простой геометрией изготавливались с помощью обычных обрабатывающих инструментов.

Однако компания Bridgestone использует передовые технологии, применяя SLM-машины немецкого производителя SLM Solutions для производства металлических форм с 3D-печатью. Этот инновационный подход позволяет инженерам создавать формы и узоры, которые ранее были недостижимы.

Благодаря изменению дизайна форм можно повысить сцепные характеристики шин без ущерба для их долговечности. Компания SLM Solutions достигла выдающегося результата, успешно напечатав 3D-форму для стальных шин толщиной всего 0,3 мм в самой тонкой точке. Bridgestone - не единственный гигант отрасли, использующий технологию 3D-печати: компания Michelin предлагает шины, изготовленные с использованием этой передовой технологии, с 2013 года.

Купирование Eplus3D

Раньше банки для вакуумной терапии лили с низкой прозрачностью и эффективностью: CNC-форма имела только вертикальные каналы и плохо охлаждалась. Форма на EP-M250 SLM 3D printer использует сложные конформные каналы, изготовленные Eplus3D EP-M250 SLM 3D printer.

На достижение температуры распыления в окончательной форме уходит всего 16,63 секунды. Это значительное улучшение по сравнению с традиционными пресс-формами, которым требуется 22,97 секунды, что позволяет сократить время более чем на 6 секунд и повысить эффективность впрыска примерно на 26%.

Какие существуют технологии и материалы для изготовления металлических форм?

Технология изготовления металлических форм включает в себя

Селективное лазерное плавление (SLM)

подход в аддитивном производстве металлических материалов. Несмотря на возможность получения сложных деталей с помощью этого процесса, дополнительная механическая обработка по-прежнему распространена. В настоящее время из-за соображений стоимости и скорости обработки металлическая 3D-печать вряд ли полностью вытеснит механическую обработку инструментов для литья под давлением. Вместо этого она служит дополнением, повышающим эффективность всего производства.

Прямое энергетическое осаждение (DED)

Лазер создаёт ванну расплава в зоне наплавки и перемещает её с высокой скоростью. Материал в виде порошка или нити непосредственно подаётся в высокотемпературную зону плавления и после расплавления наносится слой за слоем. Этот метод позволяет изготавливать металлические пресс-формы из различных металлов. Например, поверх подложки из чистой меди можно нанести верхний слой нержавеющей стали, чтобы совместить высокую теплопроводность с износостойкостью — свойствами, необходимыми для оснастки литья под давлением.

Материалы для изготовления металлических форм включают в себя

По типу материала металлические материалы для 3D-печати можно разделить на сплавы на основе железа, титана и сплавы на основе титана, сплавы на основе никеля, кобальто-хромовые сплавы, алюминиевые сплавы, медные сплавы и драгоценные металлы.

Сплав на основе железа

Сплавы на основе железа - это тип сплава, который был изучен раньше и глубже других металлических материалов для 3D-печати. К наиболее часто используемым сплавам на основе железа относятся инструментальная сталь, нержавеющая сталь 316L, быстрорежущая сталь M2, формовочная сталь H13, мартенситно-стареющая сталь 15-5PH и т. д. . Сплавы на основе железа отличаются низкой стоимостью, высокой твердостью, прочностью и хорошей обрабатываемостью, что делает их особенно подходящими для изготовления пресс-форм.

3D-печать форм для конформных водоканалов - одна из основных областей применения сплавов на основе железа. Водяные каналы специальной формы трудно обрабатывать традиционными способами. Однако 3D-печать позволяет контролировать расположение каналов охлаждения, чтобы они в основном соответствовали геометрии полости, что позволяет улучшить однородность температурного поля и эффективно уменьшить дефекты продукции и увеличить срок службы пресс-формы.

Титан и титановые сплавы

Титан и титановые сплавы стали идеальными материалами в области медицинских приборов, химического оборудования, аэрокосмической промышленности и спортивного снаряжения благодаря своей высокой удельной прочности, жаропрочности, коррозионной стойкости и хорошей биосовместимости. Однако титановые сплавы, как правило, являются труднообрабатываемыми материалами.

Они подвержены высоким нагрузкам, высоким температурам и сильному износу инструмента при обработке, что ограничивает широкое применение титановых сплавов. Технология 3D-печати особенно подходит для производства титана и титановых сплавов. Во-первых, 3D-печать происходит в защитной атмосфере. Титан нелегко вступает в реакцию с такими элементами, как кислород и азот. Быстрое нагревание и охлаждение микрообластей также ограничивает улетучивание элементов сплава;

Во-вторых, сложные формы могут быть изготовлены без обработки резанием, а коэффициент использования материала на основе порошка или проволоки высок, что не приведет к отходам сырья и значительно снизит производственные затраты. В настоящее время типы 3D-печатных титана и титановых сплавов включают чистый Ti, Ti6A14V (TC4) и Ti6A17Nb, которые могут широко использоваться в аэрокосмических деталях (рис. 3) и искусственных имплантатах (таких как кости, зубы и т.д.).

Преимущества и недостатки 3D-печати пластиковых форм

Как печатать пластиковые формы в 3D?

Использование прочных и термостойких материалов в сочетании с пластиковым (или полимерным) 3D-принтером позволяет компаниям производить литьевые формы собственными силами или оперативно закупать их у поставщика услуг.

Каковы преимущества 3D-печати пластиковых форм?

Оптимизация инструментов для повышения эргономичности и улучшения минимальной производительности

3D-печать снижает барьеры для проверки новых инструментов, отвечающих неудовлетворенным производственным потребностям, позволяя интегрировать в производственные процессы больше подвижных и неподвижных приспособлений. Обычно инструменты и сопутствующее оборудование разрабатывались с расчетом на максимальную долговечность, чтобы избежать значительных затрат и трудозатрат, связанных с перепроектированием и производством. Благодаря технологии 3D-печати компании теперь могут в любой момент отремонтировать любой инструмент, не ограничиваясь только теми, которые были выброшены и признаны непригодными.

Низкая стоимость

Традиционные методы производства пресс-форм для литья под давлением, как правило, дороги и требуют много времени, поскольку требуют высокоточного оборудования и опыта от производителя пресс-форм. С другой стороны, 3D-печать предлагает более экономичную альтернативу для производства пресс-форм.

Прямая печать пресс-форм на 3D-принтере подходит для изготовления небольших объемов деталей (от 100 до 10 000+ в зависимости от материала) и может стоить на 90% дешевле, чем металлические пресс-формы. Пластиковая 3D-печать становится предпочтительным методом изготовления пресс-форм, когда ключевыми факторами являются короткие сроки изготовления и низкая стоимость.

По имеющимся данным, формы, изготовленные методом 3D-печати, позволяют сэкономить до 80% затрат по сравнению с традиционными технологиями. Их производство значительно быстрее и дешевле изготовления обычных металлических форм. Одновременно можно напечатать несколько версий формы, расширив возможности применения и сделав этот подход удобным для контрактных производителей. Внутреннее производство предотвращает утечку данных и защищает интеллектуальную собственность, сохраняя одинаковое качество деталей, изготовленных литьем под давлением.

3D-печать требует меньше этапов, чем механическая обработка: в среднем на изготовление пресс-формы и детали уходит всего шесть рабочих дней. Фактически, изготовление пресс-формы может быть завершено всего за несколько часов, что делает процесс быстрым и эффективным.

Сложные литьевые формы теперь можно печатать в 3D с использованием растворимых смол, пластиковых (или полимерных) 3D-принтеров и прочных, термостойких материалов. Это достижение позволяет компаниям производить собственные пресс-формы своими силами или легко приобретать их у поставщиков услуг.

Каковы недостатки 3D-печати пластиковых форм?

Пластиковые формы обычно обладают более низкой теплопроводностью по сравнению с металлическими, что приводит к увеличению времени охлаждения литых деталей. Кроме того, они имеют тенденцию разрушаться быстрее, чем их металлические аналоги, что часто требует применения процессов последующей обработки для достижения точной точности. Кроме того, пластиковые пресс-формы имеют ограниченные размеры.

Каковы типичные примеры пластиковых форм для 3D-печати?

Зетар Молд

Zetar Mold - компания по литью под давлением, расположенная в Шанхае, Китай, которая предлагает услуги по быстрому созданию пресс-форм и литью под давлением небольших партий. В ответ на растущий спрос на мелкосерийное производство компания Zetar Mold внедрила технологию 3D-печати для создания экономически эффективных пластиковых форм для ускоренного производства небольших заказов. В ходе исследований они обнаружили, что SLA 3D-принтер Formlabs в сочетании со стеклонаполненной смолой Rigid 10K Resin идеально подходит для их промышленного термопластавтомата Babyplast.

Используя Formlabs, Zetar Mold может быстро изготавливать литьевые формы методом 3D-печати. После проектирования Zetar Mold способна напечатать и выполнить постобработку формы за один день. Установка напечатанной части в существующую металлическую раму формы занимает всего тридцать минут, после чего можно сразу начинать процесс литья под давлением. Хотя ресурс каждой формы обычно ограничен примерно 100 применениями, Zetar Mold может одновременно печатать несколько форм для выполнения более крупных заказов.

3D-принтеры Markforged для производства термореактивных форм. Компании требовалась прочная термореактивная форма для замены дорогостоящего силиконового процесса, способная выдерживать значительные усилия смыкания при температуре до 150 °C.

Компания Markforged успешно создала форму примерно за 60 часов с помощью 3D-принтера X7 и материалов Onyx, затратив на одну форму около $240. Для сравнения, изготовление силиконовых форм с механической обработкой заняло 144 часа, а затраты составили около $1 000 на одну форму.

Addifab

Изготовление прототипов из тех же материалов и дизайна, что и конечный продукт, может значительно улучшить и ускорить процесс тестирования прототипов. Addifab, стартап, базирующийся в Бельгии, специализируется на предоставлении 3D-печатных форм для литья под давлением.

Addifab предлагает запатентованный смоляной материал для 3D-печатных форм, который выдерживает давление впрыска до 2 500 бар и температуру плавления 450°C. Впоследствии пресс-форма полностью растворяется в водном щелочном растворе в течение 12-48 часов. Addifab использует эту растворимую смолу для 3D-печати литьевых форм.

Компания Wilson Sporting Goods недавно использовала смолу Addifab на широкоформатном принтере Nexa3D NXE 400 для эффективного производства нескольких версий литьевых форм для новых рукояток бейсбольных бит.

Какие бывают материалы для изготовления пластиковых форм?

нейлон

Характеристики материала: Нейлон обладает высокой термостойкостью, хорошей вязкостью и высокой прочностью. По сравнению с другими материалами, нейлон обладает отличными характеристиками, такими как высокая текучесть, низкое статическое электричество, низкое водопоглощение, умеренная температура плавления и высокая точность размеров изделий.

Его усталостная прочность и вязкость также удовлетворяют требованиям деталей с повышенными механическими характеристиками. Это конструкционный пластик, идеально подходящий для 3D-печати. Типичные области применения: кожухи и корпуса, потребительские спортивные товары, сложные пластиковые прототипы, а также макеты формы, сборочные или функциональные прототипы.

Высокоэффективный нейлон

Ключевые свойства: податливый, гибкий материал с высокой долговечностью, эксплуатационными характеристиками и ударной стойкостью Типичные применения: ударопрочные прототипы, шаблоны, приспособления, тонкостенные трубы и корпуса, защелки, зажимы и петли.

Импортная светочувствительная смола

Характеристики материала: Фоточувствительные смоляные материалы широко используются благодаря своей высокой гладкости и долговечности. Детали, напечатанные с помощью этого материала, могут подвергаться таким процессам последующей обработки, как шлифовка, полировка, окраска, напыление, гальванизация и трафаретная печать. По своим характеристикам он схож с инженерным пластиком ABS. Благодаря высокой точности и тонкой поверхности он может использоваться не только для изготовления деталей внешнего вида, но и для проверки структуры, сборки и функциональности.

Общее применение: бытовая техника, быстрое производство, модели прототипов, электронные продукты, образование и научные исследования, архитектурные модели, художественные модели, автомобильное производство и другие области.

Заключение

Быстро развивающаяся и высококонкурентная индустрия литья под давлением, стоимость которой исчисляется сотнями миллиардов долларов, заставляет производителей искать более эффективные и экономичные способы опережать время.

3D-печать, также известная как аддитивное производство, позволяет этим компаниям производить превосходные формы для литья под давлением и оснастку быстрее и дешевле, чем традиционные процессы. Можно утверждать, что пресс-формы, изготовленные методом 3D-печати, совершают революцию в индустрии производства пресс-форм.

Получите конкурентную цену, рекомендации DFM и график производства от инженерной команды ZetarMold.

Запросите бесплатное предложение → Подробный обзор приведен в нашем Полном руководстве по литью под давлением.