Предисловие: Быстро развивающаяся и высококонкурентная индустрия литья под давлением оценивается в сотни миллиардов долларов, что заставляет производителей искать более эффективные и экономичные способы сохранения конкурентных преимуществ.

3D-печать, также называемая аддитивным производством, позволяет этим компаниям производить превосходные литьё под давлением пресс-форм и оснастки быстрее и доступнее, чем традиционные методы. Можно утверждать, что 3D-печатные формы совершают революцию в индустрии производства пресс-форм.

По данным Intelligent Manufacturing Network News, 3D-печать считается одной из передовых технологий с огромным потенциалом развития и широкими возможностями применения, практически повсеместно распространенной во всем мире.

На сегодняшний день использование 3D-печати в образовании, здравоохранении, автомобильной, аэрокосмической и других отраслях постепенно расширяется, демонстрируя свою ценность в коммерческом применении. Итак, что же на самом деле стоит за 3D-печатными пресс-формами для литья под давлением?

В этой статье мы познакомим вас с правдой о 3D-печати литьевых форм.

1. Краткий обзор технологии 3D-печати

3D-печать (3DP) - это разновидность технологии быстрого прототипирования, также известная как аддитивное производство. Она основана на цифровых файлах моделей и использует адгезивные материалы, такие как порошкообразный металл или пластик, для создания конструкций путем послойной печати.

Обычно она выполняется с помощью цифровых принтеров для печати материалов и широко используется для создания моделей в таких областях, как производство пресс-форм и промышленный дизайн. Постепенно она используется для непосредственного производства некоторых изделий, причем детали уже успешно печатаются с помощью этой технологии.

3D-печать, как правило, осуществляется с помощью цифровых принтеров для печати материалов. Она широко используется для создания моделей в производстве пресс-форм, промышленном дизайне и других областях, а также все чаще применяется для непосредственного производства некоторых изделий. Некоторые детали уже были напечатаны с помощью этой технологии

2. Литье под давлением

Метод литья под давлением предполагает впрыскивание нагретых и расплавленных пластиковых материалов в полость формы под высоким давлением, после чего они охлаждаются и застывают. Этот метод используется в основном для массового производства. Центральное место в этом процессе занимает пресс-форма для литья под давлением, которая быстро и точно создает цельные структуры и точные размеры пластиковых изделий.

Текущий процесс изготовления пресс-формы, обычно называемый раскрытием пресс-формы, обычно включает механическую обработку. Этот процесс можно описать следующим образом: Вначале на основе 3D-модели конечного продукта с помощью программного обеспечения создается цифровая пресс-форма. При этом определяются номера полостей, расположение затворов и необходимые системы направляющих для литьё под давлением процесс.

Компоненты пресс-формы обрабатываются с помощью таких инструментов, как ЧПУ, фрезерные и токарные станки. Для получения более качественных изделий, изготовленных методом литья под давлением, пресс-форма часто нуждается в доводке и окончательной полировке для улучшения качества поверхности. Этот процесс трудоемок, и типичный производственный цикл для прецизионных литьевых форм составляет примерно 20-25 дней.

3. 3D печать пластиковых форм

Сочетая прочные и термостойкие материалы с пластиковым (или полимерным) 3D-принтером, компании могут производить собственные литьевые формы своими силами или оперативно заказывать их у поставщика услуг. 3D-печатные пластиковые пресс-формы подходят для производства небольшого количества деталей (от 100 до 10 000 в зависимости от материала) и являются значительно более экономичными - их цена на 90% ниже, чем у металлических пресс-форм.

Если бюджет ограничен, а срок выполнения заказа короткий, то пластиковая 3D-печать - предпочтительный метод изготовления пресс-форм. Она также широко используется для создания прототипов, позволяя компаниям быстрее проводить испытания и итерации, прежде чем с большей уверенностью переходить к традиционным инструментам для массового производства.

Используемые технологии и материалы

Технология 1: Fused Deposition Modeling (FDM) - наиболее экономичное решение для 3D-печати при изготовлении пластиковых форм. Однако при использовании этого метода могут возникать видимые наслоения. Чтобы добиться необходимой точности, слои необходимо удалять путем шлифовки или химической обработки. Кроме того, такие формы можно обрабатывать с более жесткими допусками.

Технология 2: 3D-печать смолой, включая стереолитографию (SLA) и цифровую обработку света (DLP), - более популярные технологии, поскольку они позволяют получать формы с более тонкой поверхностью, требующей меньшей последующей обработки.

Третья технология: Селективное лазерное спекание (SLS) - это технология, использующая порошкообразные полимерные материалы и лазер для получения форм с высоким качеством поверхности и прочностью, часто из армированного нейлона.

Когда речь заходит о 3D-печати, на выбор предлагается широкий ассортимент пластиков. Однако не все материалы могут выдержать высокое давление и температуру при литье под давлением. Выбор материала зависит от таких факторов, как температура плавления пластика, давление впрыска в машину и объем необходимых деталей.

Наиболее часто используемые материалы включают PETG, полипропилен (PP), формовочную смолу, нейлон (PA), нейлон с углеродным волокном и т. д. Однако они, как правило, выдерживают лишь десятки-сотни циклов литья под давлением. Для крупносерийного производства, требующего тысяч деталей, в большинстве случаев металл все же предпочтительнее пластика.

Типичные случаи применения

Компания PepsiCo в партнерстве с Henkel Loctite Nexa3D создала вставки для пресс-форм, используя материал из смолы xPEEK147 и 3D-принтер Nexa3D NXE 400. Затем эти вставки интегрируются с компонентами традиционных металлических пресс-форм. Теперь вся пресс-форма может быть изготовлена всего за 12 часов, из которых 8 часов отводится на 3D-печать и 4 часа - на последующую обработку и отверждение.

Время разработки прототипа пресс-формы резко сократилось с 4 недель до всего 48 часов, что значительно повышает эффективность. Кроме того, стоимость каждого комплекта пресс-формы значительно снизилась - с $10 000 до $350. Эти инновационные гибридные пресс-формы продемонстрировали способность производить более 10 000 бутылок без каких-либо сбоев, что позволяет сэкономить до 96% по сравнению с традиционными металлическими пресс-формами.

В сфере традиционных литьё под давлениемОсновным фактором затрат является изготовление пресс-формы. Освещаются тонкости возмещения производственных затрат на пресс-форму только за счет массового производства и продажи продукции. Подчеркивается, что для изделий с коротким жизненным циклом или ограниченным спросом инвестиции в механическую оснастку могут оказаться нецелесообразными с финансовой точки зрения. В таких сценариях выбор в пользу изготовления пресс-формы с помощью 3D-печати представляется более выгодной альтернативой.

Переход к 3D-печати не только обеспечивает экономически эффективное решение, но и позволяет повысить гибкость при кастомизации продукции и мелкосерийном производстве. Производителям рекомендуется использовать этот подход для расширения ассортимента продукции в рамках экономически эффективных параметров. Возможности ускоренного производства 3D-печатных форм позволяют производителям оперативно удовлетворять запросы клиентов на новые продукты, что ведет к эффективной разработке и выпуску коротких партий продукции.

4. 3D-печать металлической формы

Движущие факторы роста использования металлических 3D-печатных форм значительно отличаются от преимуществ пластиковых 3D-печатных форм. Вопреки распространенному мнению, есть случаи, когда металлические 3D-печатные формы могут быть дороже и требуют больше времени на создание по сравнению с обычными металлическими формами. Преимущество заключается не в изготовлении форм, а в экономичности производства всего изделия с использованием 3D-печатных форм.

Используемые технологии и материалы

3D-печать по металлу позволяет создавать формы для производства конечного продукта и прототипы с замысловатыми деталями, что позволяет производителям упростить традиционный процесс изготовления форм и сократить потребность в квалифицированных машинистах.

Одним из распространенных методов является селективное лазерное плавление (SLM), ключевой метод в аддитивном производстве металлических материалов. Хотя SLM позволяет получить тонкие детали, часто требуется дополнительная механическая обработка. Учитывая текущую стоимость и скорость обработки, металлическая 3D-печать вряд ли полностью заменит механическую обработку инструментов для литья под давлением, а скорее послужит дополнительным инструментом для ускорения общего производства.

Другая технология 3D-печати, прямое энергетическое осаждение (DED), использует лазер для создания расплавленного бассейна в зоне осаждения и быстрого его перемещения. Материал, будь то порошок или нить, подается непосредственно в зону высокотемпературного плавления и осаждается слой за слоем после расплавления. Такой подход позволяет создавать металлические формы из различных металлических материалов. Например, слой нержавеющей стали может быть нанесен поверх подложки из чистой меди, чтобы сочетать высокую теплопроводность с износостойкостью.

Требуется в инструментах для литья под давлением.

Металлические 3D-печатные детали часто требуют дополнительной обработки, что привело к появлению гибридных станков, сочетающих возможности 3D-печати и ЧПУ. Станок TrueShape, разработанный Mantle, стартапом в области 3D-печати металлов, является примером этой тенденции.

Процесс начинается с 3D-печати металлической формы с использованием экструдируемой пасты из инструментальной стали. Затем на прецизионных станках с ЧПУ форма дорабатывается до точных допусков перед спеканием в высокотемпературной печи.

Типичные случаи применения

3D-печать вызывает революцию в индустрии производства пресс-форм, позволяя создавать формы со сложными конформными каналами охлаждения. Эти каналы играют решающую роль в металлических литьё под давлением инструменты, способствуя более быстрому и равномерному охлаждению деталей.

Учитывая, что на этап охлаждения обычно уходит от 70% до 80% всего времени цикла, любое сокращение этого этапа на протяжении всего срока службы пресс-формы может дать производителям значительную экономию средств. Кроме того, эффективное охлаждение существенно влияет на точность размеров, качество обработки поверхности и механические свойства конечного продукта.

Традиционные методы обработки предполагают добавление охлаждающих каналов в пресс-форму путем прямого сверления. Однако с увеличением сложности геометрии деталей достижение точного охлаждения по контуру формы становится все более сложной задачей. Это может сделать традиционное производство сложных деталей сложным и дорогостоящим занятием.

По сравнению с традиционными процессами 3D-печать позволяет создавать в пресс-форме изогнутые каналы охлаждения, которые соответствуют геометрии детали и обеспечивают охлаждение там, где оно больше всего необходимо, что повышает качество детали и сокращает время охлаждения до 70%.

Ярким примером является компания Yijia, производитель трехмерных чашек. Ранее куппинги, произведенные традиционным литьем под давлением, отличались низкой прозрачностью и неэффективностью литья. Эта неэффективность объяснялась тем, что пресс-формы для литья куколок изготавливались с помощью традиционной технологии ЧПУ, которая могла обрабатывать только вертикальные каналы охлаждения, не обеспечивая достаточного охлаждения пресс-формы.

С помощью 3D-принтера Eplus3D EP-M250 SLM можно изготавливать сложные металлические формы с конформным каналом охлаждения. Теперь для достижения оптимальной температуры для напыления требуется всего 16,63 секунды. Для сравнения, традиционным пресс-формам требуется 22,97 секунды, что дает экономию времени более 6 секунд и повышает эффективность впрыска примерно на 26%.

Преимущества создания конформных каналов охлаждения с помощью 3D-печати очевидны в различных секторах производства пресс-форм. Возьмем, к примеру, электронные сигареты. Компания Guangdong Moko утверждает: "За последние три года наше понимание материалов PCTG значительно углубилось, особенно в области электронных сигарет.

Использование этого материала в сочетании с технологией 3D-печати является примером уникального подхода, который отличается от традиционных методов". Это подчеркивает ключевую роль 3D-печати в революции в индустрии пресс-форм путем эффективного решения задач, недостижимых традиционными способами.

5. Преимущества 3D-печати литьевых форм

Сокращение цикла производства пресс-форм

3D-печать пресс-форм значительно сокращает цикл разработки продукта, стимулируя инновации. Ранее компании иногда предпочитали отложить или отказаться от обновления дизайна продукта из-за значительных инвестиций, необходимых для изготовления новых пресс-форм. Благодаря сокращению сроков изготовления пресс-форм и возможности быстрого обновления существующих инструментов проектирования, 3D-печать позволяет компаниям чаще вносить изменения и усовершенствования в пресс-формы. Такая возможность обеспечивает соответствие цикла проектирования пресс-формы циклу проектирования изделия.

Более того, некоторые компании инвестировали в собственное оборудование для 3D-печати для производства пресс-форм, что еще больше ускоряет разработку продукта и повышает гибкость и адаптивность. Такой стратегический подход повышает устойчивость цепочки поставок к таким рискам, как затягивание сроков и стагнация разработок, что позволяет избежать приобретения у поставщиков неподходящих пресс-форм.

Снижение производственных затрат

Если текущая стоимость металлической 3D-печати выше, чем стоимость традиционных процессов производства металла, то в области пластиковых изделий снижения затрат добиться проще.

Металлические 3D-печатные формы дают экономические преимущества при производстве небольших, прерывистых серий конечных продуктов (поскольку постоянные затраты на эти продукты сложно амортизировать) или при изготовлении специфических геометрических форм, оптимизированных для 3D-печати, что обеспечивает еще большую экономическую выгоду. Это преимущество становится особенно очевидным, когда используемые материалы чрезвычайно дороги, а традиционное производство пресс-форм приводит к высокому уровню брака материалов, где 3D-печать может предложить преимущество по стоимости.

Кроме того, способность 3D-печати изготавливать точные формы за считанные часы может существенно повлиять на производственные процессы и рентабельность, особенно в тех случаях, когда простои производства или поддержание запасов инструментов обходятся дорого.

Иногда случается так, что пресс-форма требует доработки уже после начала производства. Адаптивность 3D-печати позволяет инженерам одновременно тестировать множество итераций, что снижает первоначальные затраты на изменение конструкции пресс-формы.

Усовершенствования в конструкции пресс-форм повышают функциональность конечных продуктов

Уникальная металлургия, используемая в 3D-печати металлов, часто улучшает микроструктуру металла, в результате чего полностью плотные напечатанные детали обладают механическими и физическими свойствами, сравнимыми или даже превосходящими свойства кованых или литых материалов (в зависимости от термообработки и ориентации испытаний). Аддитивное производство предлагает инженерам множество возможностей для усовершенствования конструкции пресс-форм.

В тех случаях, когда предполагаемая деталь состоит из нескольких субкомпонентов, 3D-печать обеспечивает бесшовную интеграцию конструкции, что приводит к сокращению количества необходимых деталей. Это упрощает процесс сборки изделия и минимизирует допуски.

Кроме того, в него можно интегрировать сложные функции изделия, что позволяет быстрее изготавливать высокофункциональные конечные продукты с меньшим количеством дефектов. Например, общее качество литьевой детали зависит от условий теплообмена между впрыскиваемым материалом и охлаждающей жидкостью, проходящей через приспособление для оснастки. При производстве традиционными методами каналы, направляющие охлаждающий материал, обычно прямые, что приводит к замедленному и неравномерному охлаждению литьевой детали.

3D-печать позволяет создавать каналы охлаждения любой формы для обеспечения конформного охлаждения, которое является более оптимизированным и равномерным, что в конечном итоге приводит к повышению качества деталей и снижению количества брака. Кроме того, более быстрый отвод тепла значительно сокращает время цикла литья под давлением, поскольку на охлаждение обычно приходится до 70% всего цикла. литьё под давлением цикл.

Оптимизация инструментов для повышения эргономичности и улучшения минимальной производительности

3D-печать значительно снижает барьеры для проверки новых инструментов, которые удовлетворяют неудовлетворенные потребности производства, позволяя производить дополнительные подвижные и неподвижные приспособления. Исторически сложилось так, что инструменты и связанные с ними устройства проектировались с расчетом на максимальную долговечность, учитывая значительные затраты и усилия, связанные с их переделкой и изготовлением. Используя технологию 3D-печати, предприятия могут модернизировать любой инструмент в любой момент, не ограничиваясь теми, которые считаются устаревшими и не отвечающими требованиям работы.

При минимальных затратах времени и первоначальных инвестициях 3D-печать делает более рентабельной тонкую настройку инструментов для повышения предельной производительности. Следовательно, технические специалисты могут учесть эргономические соображения на этапе проектирования, чтобы повысить комфорт работы, сократить продолжительность обработки, упростить использование и хранение.

Хотя эти усовершенствования могут сократить время выполнения сборочных операций всего на несколько секунд, совокупный эффект может быть значительным. Кроме того, оптимизация конструкции инструмента может также снизить количество брака деталей, что способствует повышению общей эффективности производства.

6. Недостатки 3D-печати литьевых форм

Дефекты усадки в печатных формах

Как и все 3D-печатные детали, пресс-формы могут страдать от различных дефектов, таких как деформация, вызванная усадкой при охлаждении. Когда форма деформируется, могут возникнуть проблемы при работе с изделиями, требующими высоких допусков.

Вопросы структурной целостности

Пластиковые 3D-печатные формы менее устойчивы, чем металлические, когда речь идет о том, чтобы выдерживать высокие температуры и давление в процессе литья под давлением. Слабая структурная целостность формы может привести к таким проблемам, как разрушение затворов и линий сварки, что делает ее непригодной для крупносерийного производства.

Эксперименты требуют отходов

Когда вы сами печатаете 3D-форму, обычно образуется некоторое количество пластиковых отходов до получения желаемого продукта. Несмотря на универсальность 3D-печати для доработки дизайна, некоторые недостатки могут проявиться только на последних этапах, что приводит к увеличению количества отходов. Важно подчеркнуть, что эти отходы можно перерабатывать.

Эффект печати ограничивается материалом

В то время как высокотехнологичные производства могут печатать пластики, некоторые металлы или керамику, текущая проблема заключается в печати материалов, которые являются одновременно дорогими и дефицитными. Промышленность в целом нуждается в улучшении стабильности и простоты использования материалов, а также сталкивается с проблемой узких мест в исследованиях и разработке новых материалов. Кроме того, некоторые виды оборудования для 3D-печати еще не достигли зрелого уровня, что ограничивает их способность поддерживать широкий спектр материалов, встречающихся в повседневной жизни.

Является ли готовое изделие прочным и долговечным

Дома и автомобили можно "напечатать", но смогут ли они выдержать ветер и дождь и плавно двигаться по дороге? В настоящее время для 3D-печати используются полимерные материалы, каждый из которых имеет свою температуру плавления и текучие свойства. При комбинировании различных материалов в 3D-печати возникают проблемы, приводящие к таким недостаткам, как высокая хрупкость конечного продукта.

Вопросы интеллектуальной собственности

В современную эпоху растущего правосознания люди уделяют все больше внимания защите прав интеллектуальной собственности в музыкальном, кино- и телевизионном секторах. Появление технологии 3D-печати еще больше усложняет этот вопрос, так как возникает опасение по поводу нарушения авторских прав и использования контрафакта.

Необходимость установления законности авторских прав на 3D-печатные изделия и предотвращения их несанкционированного воспроизведения стала важнейшей задачей в развитии отрасли. Разработка соответствующими органами законодательной базы, регулирующей 3D-печать, необходима для защиты прав интеллектуальной собственности и ответственного использования этой инновационной технологии.

Трудно преодолеть факторы окружающей среды

В помещении для 3D-печати такие проблемы, как недостаточная очистка воздуха, зазоры в машине и примеси в металлических порошках, могут привести к изменению содержания кислорода. Это может негативно сказаться на механических свойствах напечатанных деталей и даже привести к изменению их химического состава. Поэтому определение содержания кислорода в печатном цехе имеет решающее значение.

7.Заключение

3D-печать оказала огромное влияние на производственную отрасль. Прототипы деталей, которые раньше стоили сотни долларов и на изготовление которых уходили недели, теперь можно спроектировать за утро, напечатать за ночь и доставить заказчику на следующий день. Некоторые компании уже начали использовать 3D-печать для производства литьевых форм.

Прошли те времена, когда приходилось месяцами ждать изготовления пресс-формы или нести значительные расходы на ее модификацию в связи с изменениями в конструкции. С помощью 3D-печати можно быстро изготовить пресс-формы, как для проверки формы, так и для мелкосерийного производства литые детали.

Правда о 3D-печатных пресс-формах для литья под давлением кроется в их тонких преимуществах и ограничениях. Хотя цикл производства пресс-форм сокращается, а производственные затраты снижаются, усовершенствования в конструкции пресс-форм добавляют больше функциональности конечному продукту. Оптимизированные инструменты более эргономичны и повышают минимальную производительность, а индивидуальные пресс-формы помогают добиться индивидуального конечного продукта.

Однако существуют и проблемы, такие как дефекты усадки печатной формы, проблемы структурной целостности, потери при проведении экспериментов, ограничения в эффектах печати из-за материалов, опасения по поводу прочности и долговечности готового продукта, беспокойство по поводу интеллектуальной собственности и трудности с учетом факторов окружающей среды.

Таким образом, 3D-формы для литья под давлением могут стать ценным инструментом в производственном арсенале, особенно для быстрых итераций и специализированных применений, но это не универсальное решение. Каждый проект требует тщательного рассмотрения его уникальных требований и возможностей технологии 3D-печати.