3D-печатные формы для литья под давлением: профессиональное сравнение материалов

Введение

Использование 3D-печати для создания рабочей оснастки становится всё более распространенным по мере расширения возможностей технологий.

В этой статье мы фокусируемся на конкретном приложении оснастки: литье под давлением малого серийного объема. Обширный обзор применения 3D-печати в этой области можно найти здесь. Мы сравним два популярных материала, которые сейчас используются в индустрии для изготовления форм для литья под давлением.

Литье под давлением — очень требовательное приложение для материала 3D-печати: формы должны выдерживать обрабатывающие силы при высокой температуре и сохранять размерную точность за несколько заливок. 3D-печатные формы для литья под давлением лучше всего подходят для:

• Быстрого запуска (1–2 недели против 5–7 недель).
• Приложений с малым объемом производства (50–100 деталей).
• Конструкций форм, где вероятно внесение изменений или итераций.
• Относительно небольших деталей (менее 150 мм).

Требования к материалу для изготовления форм

Материал для 3D-печати, подходящий для изготовления форм литья под давлением, должен обладать:

• Высокой жесткостью: Формы должны сохранять размерную точность за множественные заливки и выдерживать высокие давления при наплавке материала без деформации.
• Высокой теплостойкостью: Высокая температура деформации под нагрузкой (HDT) критична не только для того, чтобы форма не вышла из строя при наплавке, но и для более точного контроля процесса.
• Высокой детализации: Формы должны иметь высокую размерную точность и гладкую поверхность. Высокоточные формы дают высокоточные детали.

Два процесса 3D-печати, способные производить высокоточные и гладкие детали (без обширной постобработки) — Material Jetting и стереолитография (SLA). Material Jetting — исключительно промышленный процесс, в то время как SLA есть и в настольном, и в промышленном исполнении. Доступные материалы и производственные возможности настольных SLA-принтеров не подходят для высококлассового производства, поэтому их здесь не рассматриваем.

В статье мы фокусируемся на двух материалах, доказавших пригодность для изготовления форм малого серийного литья в промышленной среде: Digital ABS Plus для Material Jetting от Stratasys и Somos PerFORM для SLA от DSM.

Заявление об отказе от ответственности: свойства материалов ниже предоставлены производителями и соответствуют деталям, прошедшим оптимальную термическую пост-отверждающую обработку.

Сравнение материалов

Механические свойства — Жесткость

Somos PerFORM обладает очень высокой прочностью на растяжение и изгиб, не только по сравнению с Digital ABS, но и среди всех других промышленных материалов 3D-печати (например, SLS нейлон). Однако он более хрупок (низкое удлинение при разрыве) и имеет более низкую ударную вязкость. Для изготовления форм механические свойства Somos PerFORM предпочтительнее, так как главные требования — высокая жесткость и прочность.

	Digital ABS Plus	Somos PerFORM
Прочность на растяжение	55 – 60 МПа	80 МПа
Модуль упругости на растяжение	2600 – 3000 МПа	9800 МПа
Относительное удлинение при разрыве	25 – 40 %	1.2 %
Прочность на изгиб	65 – 75 МПа	146 МПа
Модуль упругости на изгиб	1700 – 2200 МПа	9030 МПа
Ударная вязкость Изод (с надрезом)	90 – 115 Дж/м	20 Дж/м
Твердость (Shore D)	85 – 87	93

Тепловые свойства — Температурная стойкость

Температура деформации под нагрузкой (HDT) показывает температуру, при которой полимер деформируется под определенной нагрузкой. Температура стеклования (Tg) — область перехода термореактивного материала из твердого «стеклообразного» состояния в более пластичное «резинообразное». Для литья под давлением желательны высокие значения и HDT, и Tg, поэтому Somos PerFORM снова опережает Digital ABS.

	Digital ABS Plus	Somos PerFORM
HDT (@ 0.46 МПа) *	92 – 95°C	268°C
Температура стеклования (Tg)	47 – 53°C	81°C

^{*: после термической постобработки}

Процесс 3D-печати — Уровень детализации

Digital ABS и Somos PerFORM используются в разных процессах 3D-печати. Возможности типичных систем Material Jetting и промышленного SLA приведены в таблице ниже. Обе технологии дают очень гладкие детали с тонкими деталями и требуют минимальной постобработки. У Digital ABS небольшое преимущество по детализации, так как Material Jetting имеет высокую размерную точность среди всех технологий 3D-печати (SLA — близкая вторая).

	Digital ABS Plus	Somos PerFORM
Процесс	Material Jetting	Промышленный SLA
Типичная размерная точность	± 0.1% (нижний предел ± 0.05 мм)	± 0.15% (нижний предел ± 0.05 мм)
Минимальный размер элемента	0.05 мм	0.10 мм
Минимальная толщина стенки	0.6 мм	0.8 мм
Минимальная высота слоя	14 – 16 микрон	25 – 50 микрон

Производственные возможности

И Digital ABS, и Somos PerFORM применялись в промышленности для изготовления форм малого серийного литья. Таблица ниже суммирует количество деталей, которые может выдать одна форма из материалов, считающихся «легкими» и «трудными» для литья (ПП и стекловолокнистый ПА соответственно).

Различия в механических и тепловых свойствах влияют на общее число деталей, которое выдает форма. В нормальных условиях (после первых 3–4 заливок) 3D-печатная форма нагревается примерно до 120°C от расплавленного материала. Хорошая тепловая стабильность критична для минимизации деградации формы. На фото ниже образцы из ПА со стекловолокном, отлитые в идентичных формах, напечатанных из двух материалов (показана деталь после 10-й заливки). Качество детали из формы Digital ABS значительно ниже, так как форма начала перегреваться и деградировать, тогда как форма из Somos PerFORM оставалась стабильной.

	Digital ABS Plus †	Somos PerFORM ‡
Детали в «легком» материале *	50 – 100	100 – 200
Детали в «трудном» материале **	5 – 30	30 – 50

^{* Полипропилен (ПП)
** Стекловолокнистый полиамид (ПА GF)
† Источник: Promolding
‡ Источник: Wehl & Partner}

Резюме и выводы

Литье под давлением — очень требовательное оснасточное приложение: материал должен иметь и высокую жесткость, и способность работать при высоких температурах.

Material Jetting и SLA — единственные процессы 3D-печати, дающие размерную точность и чистоту поверхности, нужные для промышленных приложений. Мы сравнили два материала (по одному на процесс), используемых для 3D-печатных форм малого серийного литья.

Хотя Digital ABS Plus — отличный материал для большинства функциональных приложений, более высокая жесткость и превосходные тепловые свойства Somos PerFORM делают его более подходящим для изготовления форм. Это подтверждается числом деталей, которое выдает форма из каждого материала.

Правила выбора

• Если нужны очень высокая точность и гладкая поверхность, Material Jetting и SLA — наиболее подходящие процессы 3D-печати для изготовления форм.
• Чтобы сохранять точность за множественные заливки, материалы 3D-печати для форм литья должны обладать высокой жесткостью.
• Высокий HDT позволяет использовать более высокие температуры формы при обработке.