Малосерийное литье под давлением: проверенное руководство по 3D-печати для затратно-эффективных прототипов

Хотя литье под давлением традиционно считается производственным процессом только для массового производства из-за его высоких затрат на инструментарий, использование 3D-печати для фабрикации литейных форм может уполномочить вас использовать этот процесс для производства высококачественных и повторяемых деталей для прототипирования и малосерийного производства.

В этом исчерпывающем руководстве узнайте, как вы можете использовать 3D-печатаемые литейные формы как с настольными, так и с промышленными машинами для эффективного и доступного производства сотен функциональных прототипов и деталей, ускоряющих разработку продуктов, снижающих затраты и лид-таймы и приводящих лучшие продукты на рынок.

Малосерийное литье под давлением против традиционного литья под давлением

Литье под давлением — один из ведущих процессов для производства пластиков. Это затратно-эффективная и экстремально повторяемая технология, дающая высококачественные детали для крупносерийного производства. В результате, она широко используется для массового производства идентичных деталей с тесными допусками.

Литье под давлением — быстрый, интенсивный процесс, где задействованы высокое тепло и давление для впрыскивания расплавленного материала внутрь формы. Расплавленный материал зависит от объема производственного проекта. Наиболее популярные материалы — различные термопласты, такие как ABS, PS, PE, PC, PP или TPU, но металлы и керамика также могут литься под давлением. Форма состоит из полости, приспособленной для впрыскиваемого расплавленного материала и спроектированной для тесного зеркалирования финальных особенностей детали.

Формы традиционно делаются из металла ЧПУ-обработкой или электроэрозионной обработкой (EDM). Это дорогие промышленные методы, требующие специализированного оборудования, высококлассного ПО и квалифицированного труда. В результате, производство металлической формы обычно занимает четыре-восемь недель и стоит от $2,000 до $100,000+ в зависимости от формы и сложности детали. Для меньших количеств деталей стоимость, время, специализированное оборудование и квалифицированный труд, требуемые для фабрикации формы из распространенных инструментальных металлов и производственных методов, часто делают литье под давлением в этом масштабе недостижимым. Однако есть альтернативы механической обработке форм из металла. Использование ин-хаус 3D-печати для фабрикации литейных форм для прототипирования и малосерийного производства значительно снижает стоимость и время по сравнению с металлическими формами, в то время как все еще производя высококачественные и повторяемые детали.

В этом видео мы партнерим с провайдером литье под давлением Multiplus, чтобы провести вас через шаги процесса литья под давлением с 3D-печатаемыми формами.

Настольная 3D-печать — мощное решение для фабрикации литейных форм быстро и с низкой стоимостью. Она требует очень ограниченного оборудования, экономя ЧПУ-время и квалифицированных операторов для других высокоценных задач в то же время. Производители могут выиграть от скорости и гибкости ин-хаус 3D-печати для создания формы и связать её с производственной силой литья под давлением для доставки серии единиц из распространенных термопластов за дело дней. Они могут даже достичь сложных форм форм, которые было бы трудно произвести традиционно и могут использоваться как на настольных, так и на промышленных литейных машинах, позволяя командам разработки быть более инновационными. Кроме того, разработка продукта выигрывает от способности итерировать дизайн и тестировать конечный материал до инвестиций в жесткий инструментарий.

Даже если 3D-печать форм может предлагать эти преимущества при правильном использовании, все еще есть некоторые ограничения, о которых нужно знать. Мы не должны ожидать ту же производительность от полимерной формы 3D-печати, как от механически обработанной металлической. Критические размеры труднее соблюдать, время охлаждения дольше, потому что теплопередача происходит медленнее в пластике, и напечатанные формы могут легче ломаться под теплом и давлением. Однако компании по всей индустрии продолжают внедрять 3D-печатаемые формы в свои рабочие процессы коротких серий литья под давлением, позволяя им быстро производить сотни до тысяч деталей. От проектирования функциональных прототипов с конечными материалами, фабрикации деталей во время пилотного производства или производства малосерийных или кастомных конечных деталей, 3D-печать литейных форм — затратно-эффективный и быстрый способ производства деталей в ограниченных количествах.

Стереолитография (SLA) 3D-печать технология — отличный выбор для формования. Она характеризуется гладкой отделкой поверхности и высокой точностью, которую форма передаст финальной детали и которая также облегчает де-молдинг. 3D-принты, произведённые стереолитографией, химически связаны так, что они полностью плотные и изотропные, производя функциональные формы на качестве, невозможном с плавлением-ориентированным моделированием (FDM) 3D-печатью. Настольные SLA-принтеры, как те, что предлагает Formlabs, могут бесшовно интегрироваться в любой рабочий процесс литья под давлением, так как они легки в внедрении, эксплуатации и поддержке.

Собранное ядро 3D-печатаемой литейной формы с металлической оболочкой формы.

Как альтернатива для среднесерийного производства около 500 до 10,000 деталей, механическая обработка форм из алюминия также может снизить фиксированные затраты, связанные с производством форм. Механическая обработка алюминия в пять-десять раз быстрее стали и вызывает меньше износа инструментария, что означает более короткие лид-таймы и более низкие затраты. Алюминий также проводит тепло быстрее стали, приводя к меньшей потребности в каналах охлаждения и позволяя производителям упрощать дизайны форм при сохранении коротких времен циклов.

Подводя итог, вот обзор разных методов литья под давлением и типов форм, приводящих к самому эффективному процессу и наименьшей стоимости на деталь в зависимости от производственного объема:

Тип литейного пресса не имеет значительного влияния на процесс для малосерийного литья под давлением; традиционные крупные промышленные литейные машины также могут использоваться с 3D-печатаемыми литейными формами. Однако эти машины дороги, идут с строгими требованиями к объекту и требуют квалифицированный труд, и в результате, большинство предприятий аутсорсят среднее- и крупносерийное производство провайдерам услуг и контрактным производителям.

Если вы новичок в литье под давлением и смотрите на тестирование его с ограниченными инвестициями, использование настольной ручной литейной машины под давлением такой как Holipress или Galomb Model-B100 может быть хорошим вариантом. Автоматизированное малое-масштабное литейное оборудование под давлением такое как настольная машина Micromolder или гидравлическая машина Babyplast 10/12 — хорошие альтернативы для среднесерийного производства малых деталей.

Любопытны узнать о разных факторах, составляющих общую стоимость литья под давлением? Читайте наше исчерпывающее руководство.

Быстрое малосерийное литье под давлением с 3D-печатаемыми формами

Скачайте нашу белую бумагу для руководящих принципов использования 3D-печатаемых форм в процессе литья под давлением для снижения затрат и лид-тайма и увидите реальные кейсы с Braskem, Holimaker и Novus Applications.

Пошаговый рабочий процесс для малосерийного литья под давлением

Рабочий процесс для малосерийного литья под давлением включает следующие семь шагов:

1. Дизайн формы

Спроектируйте форму для вашей детали в CAD ПО вашего выбора. Придерживайтесь общих правил дизайна для аддитивного производства и дизайна литейных форм. Рекомендации по дизайну, специфичные для полимерных 3D-печатаемых форм, можно найти в нашей белой бумаге.

Загрузите ваш дизайн в PreForm, ПО подготовки печати Formlabs. Подготовьте вашу печать и отправьте её на ваш Formlabs 3D-принтер.

2. 3D-печать формы

Выберите материал 3D-печати и начните печать. Rigid 10K Resin на высоте слоя 50 микрон — идеальный выбор для большинства дизайнов форм, так как он комбинирует высокую прочность, жесткость и термическое сопротивление.

Когда возможно, рекомендуется печатать форму плоско, прямо на строительной платформе без каких-либо поддержек, чтобы снизить деформацию.

После мойки и пост-отверждения ваша 3D-печатаемая форма готова к интеграции в ваш процесс литья под давлением.

3. Сборка формы

Перед сборкой вы можете выбрать отделку формы для соблюдения критических размеров с ручной шлифовкой, настольной или ЧПУ-обработкой.

Рекомендуется поместить напечатаемую форму внутрь стандартной металлической рамы, или Master Unit Die, для поддержки против высоких давлений и продления срока службы вашей напечатаемой формы. Внимательно соберите 3D-печатаемую форму внутри металлической рамы. Добавьте выталкивающие штыри, вставки, боковые-действие детали и другие компоненты по необходимости.

Установите собранную форму в вашу литейную машину под давлением.

4. Зажим формы

Вставьте пластиковые гранулы, введите требуемые настройки и начните производство. Меньшая сила зажима предложена, особенно если напечатаемая форма не защищена металлической рамой.

Широкий спектр термопластов может быть впрыснут с 3D-печатаемыми формами такие как TPE, PP, PE, ABS, POM, ASA, PA, PC или TPU.

5. Впрыскивание

Может занять несколько выстрелов, чтобы идентифицировать ваши идеальные процессные условия, так как многие факторы в игре включая геометрию детали, выбор пластика, температуры и давления впрыскивания и другие параметры.

Снижайте давление и температуру впрыскивания насколько возможно.

С одной напечатаемой формой пользователи Formlabs обычно впрыскивают 100ы деталей в легко-обрабатываемых пластиках таких как TPE, PP и PE с температурами до 250°C. С пластиками, требующими более высокой температуры впрыскивания таких как PA или PC, 3D-печатаемая форма может иметь более короткий срок службы.

Читайте нашу документацию процессных условий чтобы увидеть результаты тестов с настольными и промышленными литейными машинами под давлением.

6. Охлаждение

Время охлаждения полимерной напечатаемой формы дольше, чем у металлической формы, так как теплопередача происходит медленнее в пластике чем в металле. Таким образом, добавление каналов охлаждения к вашей напечатаемой форме обычно не рекомендуется.

Вместо этого, охлаждение может быть ускорено применением сжатого воздуха для охлаждения формы, или использованием взаимозаменяемых стеков.

7. Де-молдинг

Де-молдинг детали либо вручную, либо автоматически с выталкивающими штырями. Применяйте отпускающий агент для термопластов с высокой вязкостью. Отпускающие агенты для форм широко доступны и силиконовые отпускающие агенты, такие как Slide или Sprayon продукты, совместимы с смолами Formlabs.

Приложения малосерийного литья под давлением

Три главные приложения для малосерийного литья под давлением — быстрое прототипирование, короткосерийное литье под давлением и по-запрос или кастомное литье под давлением.

Быстрое прототипирование с литьем под давлением

Быстрое прототипирование помогает компаниям превращать идеи в реалистичные доказательства концепции, продвигать эти концепции к высокоточным прототипам, которые выглядят и работают как финальные продукты, и вести продукты через серию стадий валидации к массовому производству.

В общем, 3D-печать — самый распространенный способ производства быстрых прототипов. Однако на более поздних стадиях процесса разработки часто возникает потребность произвести немного большие объемы идентичных прототипов с теми же материалами и производственными процессами, как для финальных деталей. Эти прототипы могут затем использоваться для приложений вроде бета- и полевого тестирования. Комбинирование 3D-печатаемых форм с литьем под давлением позволяет производителям быстро и эффективно разрабатывать функциональные прототипы и ускорять процесс разработки продукта.

Например, французский стартап Holimaker разрабатывает ручную литейную машину под давлением, позволяющую инженерам и дизайнерам продуктов обрабатывать пластиковые детали на их столе в малых количествах для прототипов, пилотного производства или даже ограниченной серии конечных деталей.

Компания предлагает исследования применимости для своих клиентов, используя 3D-печатаемые формы для быстрого и доступного обратного оборота. Это позволяет их клиентам быстро и доступно прототипировать дизайны и валидировать финальные производственные условия во время фазы пилотного производства нового введения продукта.

Предпроизводственные прототипы этих футбольных кроссовок были отлиты под давлением в 3D-печатаемых формах используя три разных термопласта, POM (180°C), PA 6.6 (270°C), PP (210°C).

Используя тот же производственный метод включая дизайн формы и материалы, эти детали могут быть протестированы в поле и гарантировать, что дизайны готовы к производству в масштабе. 3D-печатаемые дизайны форм могут затем быть легко адаптированы для инструментальной стали во время массового производства.

Используя 3D-печатаемые формы, Holimaker смогли сократить лид-тайм производства форм для процесса литья под давлением до 24 часов и они используют 3D-печатаемые литейные формы в 80% до 90% своих проектов сегодня.

Короткосерийное литье под давлением

Короткосерийное литье под давлением предоставляет производителям средство производить меньшие серии конечных деталей для продуктов, которые производятся только в ограниченных количествах или производить пилотную серию продукта для тестирования рынка до вложения слишком много капитала в предприятие.

Использование малосерийного литья под давлением дает возможность производить точные и повторяемые конечные детали без высоких фиксированных затрат, связанных с традиционным литьем под давлением.

Multiplus — провайдер решений литья под давлением, основанный в Шэньчжене, охватывающий весь производственный цикл от дизайна до производства пластиковых продуктов и предоставляющий услуги более 250 клиентам в год, включая некоторые Fortune 500 компании. Некоторые из этих клиентов требуют малое партионное производство, которое традиционно дорого и времяпотребляюще с литьем под давлением из-за сложности производства жесткого инструментария.

Свеже вылитые под давлением ABS корпуса коробок управления используя 3D-печатаемые литейные формы.

По мере роста спроса на малое партионное производство, Multiplus обратился к 3D-печати для исследования разных материалов в попытке найти затратно-эффективный способ производить более дешевые пластиковые формы для малых заказов и пилотных производственных запусков. Фабрикация малосерийных литейных форм с Formlabs 3D-принтерами снизила затраты, труд и время по сравнению с механической обработкой алюминиевых форм и могла бесшовно использоваться с их Babyplast промышленными литейными машинами под давлением.

По-запрос или кастомное литье под давлением

Кастомное или быстрое по-запрос литье под давлением может потребоваться для производства кастомизированных конечных деталей для специфических целей, таких как человеческие факторы, приложение или случай, часто на ускоренном таймлайне. Ограниченный объем и/или короткий лид-тайм означает, что традиционное литье под давлением с жестким инструментарием ни эффективное, ни выполнимое. В этих случаях малосерийное литье под давлением с 3D-печатаемыми формами — идеальное решение для ускорения процесса и доставки кастомных деталей.

Пример Braskem, одной из ведущих в мире нефтехимических компаний, подсвечивает кейс для использования 3D-печатаемого формования для исполнения быстрых заказов по-запрос. Во время первой волны пандемии COVID-19 компании нужно было произвести тысячи ремней для масок для защиты своей глобальной рабочей силы. Braskem идентифицировала литье под давлением как идеальный метод производства деталей, но без доступа к 3D-печати им пришлось бы аутсорсить дорогую металлическую форму, стоимость которой команда денег и ценного времени.