Трансформация прототипирования: Сила 3D-печати инструментального оснащения

Когда мы обсуждаем роль 3D-печати в производственном мире, мы часто рассматриваем способы, которыми аддитивное производство в конечном счете может заменить традиционные техники. Фактически, многие разработчики оборудования аддитивного производства эффективно маркетируют свою технику как прямую замену для таких вещей, как станки с ЧПУ или системы литья под давлением.

Но 3D-печать также может использоваться для дополнения существующих технологий вроде фрезеровки с ЧПУ, литья под давлением, листовой металлообработки, экструзии и литья.

Это потому, что системы аддитивного производства — будь то промышленные металлические технологии вроде DMLS или пластиковые технологии вроде FDM или SLS — могут использоваться для создания 3D-печати инструментального оснащения для этих процессов, ускоряя и/или улучшая производство для достижения лучших результатов.

Эта статья рассматривает, как 3D-печать инструментального оснащения формирует будущее прототипирования и малосерийного производства. Она обсуждает различные виды 3D-печати инструментального оснащения, почему 3D-печать инструментального оснащения полезна и какие материалы доступны.

Виды 3D-печати инструментального оснащения

Инструментальное оснащение — это общее название, описывающее различные фиксирующие, поддерживающие или формообразующие механизмы, используемые в производстве. Инструментальное оснащение для детали может состоять из одного или нескольких компонентов и обычно изготавливается из надежного материала вроде инструментальной стали.

3D-печать может использоваться для изготовления нескольких видов инструментального оснащения. Однако некоторые компоненты легче изготовить, чем другие, а некоторые могут быть изготовлены только с использованием высококлассного оборудования аддитивного производства.

1. Формы

Форма — это полый контейнер, который заполняется материалом для изготовления деталей. Формообразование обычно достигается механической обработкой, но 3D-печать — в сочетании с термостойкими материалами — становится жизнеспособным вариантом для определенных деталей.

Напечатанные формы могут требовать обширной шлифовки поверхности или других методов обработки поверхности перед тем, как они будут готовы к использованию, но скорость, с которой их можно изготовить, становится огромным благом для компаний по прототипированию.

По словам немецкой компании EOS по аддитивному производству: «Способность производить даже самые сложные структуры высокого качества и с короткими производственными сроками означает, что 3D-печать … предлагает явные преимущества для формообразования».

2. Приспособления (Jigs)

Приспособление (jig) — это кастомное приспособление для удержания детали, используемое для улучшения согласованности деталей во время производства. Оно обычно используется для направления и контроля движения режущего инструмента.

3D-принтеры становятся все более полезными для изготовления кастомных изделий вроде приспособлений и фикстур, поскольку процесс недорог для единичных деталей.

Производители приспособлений и фикстур с 3D-печатью также могут кардинально сократить сроки подготовки — особенно если печать происходит внутри компании.

3. Фикстуры

Фикстура — это кастомное приспособление для удержания детали, используемое для закрепления заготовки во время производства, обычно механической обработки. В отличие от приспособлений, заготовки обычно уникальны для изготавливаемых деталей, а не для производственного оборудования.

Приспособления и фикстуры могут быть 3D-напечатаны из металла или инженерных пластиков вроде TPU или карбон-наполненного нейлона.

4. Матрицы для экструзии

Матрицы — это толстые стальные пластины с формообразующими апертурами. В процессе экструзии материал выталкивается через отверстие матрицы, создавая длинную деталь с поперечным сечением, соответствующим апертуре матрицы.

Как и формы, матрицы обычно изготавливаются из термостойких материалов вроде стали, которые становятся все более доступными для печати процессами вроде DMLS и SLM.

Преимущества 3D-печати инструментального оснащения

Конформные каналы охлаждения

В процессах вроде литья под давлением каналы охлаждения используются для подачи охлаждающей жидкости вокруг расплавленного материала, чтобы он остыл и затвердел равномерно. Это помогает предотвратить деформацию и дефекты в литой детали.

В обычных формах каналы обычно прямые линии из-за сложности обработки более сложных форм. Но 3D-печать позволяет создавать конформные каналы охлаждения: каналы, которые следуют контурам детали так, что каждая область детали одинаково воздействует охлаждающей жидкостью.

По словам специалиста по металлическому аддитивному производству Desktop Metal: «Детали со сложными дизайнами и внутренними структурами — такими как конформные каналы охлаждения для кастомных форм — идеально подходят для аддитивного производства, где время изготовления и стоимость на деталь не обязательно зависят от сложности дизайна».

Быстрое изготовление

3D-печать — быстрый процесс с минимальными требованиями к настройке или подготовке. Это позволяет быстро производить инструментальное оснащение — и немедленно переоснащать, если инструмент ломается или требует изменения.

Хотя 3D-печать инструментального оснащения все еще в зачаточном состоянии и не предпочтительна большинством производителей (или клиентов), она уже становится важной для быстрого прототипирования, где соображения временных затрат приоритизируются над другими факторами.

3D-печать инструментального оснащения будет иметь большое влияние на будущее прототипирования просто потому что она демонстрированно ускоряет традиционные процессы прототипирования.

Доступно и эффективно

Инструментальное оснащение может быть очень дорогим, особенно если нужно несколько компонентов или дизайн особенно сложный. 3D-печать может снизить стоимость инструментального оснащения, поскольку сложный и изощренный дизайн может быть изготовлен почти так же быстро, как простой.

Аддитивное производство также эффективно с точки зрения использования материала, поскольку оно не включает удаление отходного материала от заготовки.

В конечном счете, любой обходной путь, который кардинально снижает затраты на этапе прототипирования, в конечном счете будет играть все большую роль в процессе прототипирования.

Производитель 3D-принтеров Markforged говорит, что они «видят производителей, способных 3D-печатать где-то от 10–50% своего долговечного инструментального оснащения, используемого в их процессе», что представляет «значительную ценность, если учитывать, что средняя экономия стоимости 3D-напечатанной детали против механически обработанной составляет 80%».

Может использоваться для разных процессов

3D-печати инструментального оснащения можно использовать для нескольких уникальных производственных процессов, включая:

• Литье под давлением (Die casting)
• Литье под давлением (Injection molding)
• Экструзия
• Обработка с ЧПУ
• Листовая металлообработка

Лучшие материалы для аддитивного инструментального оснащения

Инструментальная сталь

Инструментальная сталь — это твердая сталь, подходящая для требовательных производственных применений. Из-за своей твердости на ее механическую обработку с высокой точностью уходит много времени.

Однако некоторые технологии металлической 3D-печати могут печатать этот материал, создавая возможности для 3D-печати изделий вроде форм для литья под давлением. Промышленная компания EOS по аддитивному производству производит ряд порошков инструментальной стали для 3D-печати, включая марэджинговую сталь и инструментальную сталь 1.2709.

Иконель

Процессы вроде DMLS и SLM могут использоваться для печати инструментального оснащения из никелевых сплавов Иконель. Иконель стойк к высоким температурам, делая его подходящим для ряда приложений инструментального оснащения, включая формовку и экструзию.

Композиты

Композиты вроде карбон-наполненного нейлона или PEEK могут служить заменой высокопрочным металлам при изготовлении 3D-печати инструментального оснащения вроде приспособлений и фикстур.

Инженерные термопласты

Компания Stratasys по 3D-печати рекомендует изготовление определенных приспособлений и фикстур из высокопроизводительных материалов FDM вроде TPU, армированного нейлона или ASA.

3ERP — специалист по быстрому прототипированию с многолетним опытом в механической обработке, аддитивном производстве и других дисциплинах. Свяжитесь с нами для бесплатной котировки.