Заменит ли 3D-печать литьё в формы? Почему этого не произойдёт

Если вы читали новости хоть раз за последнее десятилетие, вы знаете о так называемой «революции 3D-печати». Аддитивное производство использовалось в промышленности с 1980-х, но станло доступно хоббистам только недавно.

Проект RepRap и истечение сроков патентов привели к резкому снижению стоимости хоббийных 3D-принтеров.

Теперь, когда почти каждый может купить 3D-принтер, многие задаются вопросом о пределах технологии — особенно, заменит ли она традиционные методы вроде литья в формы (Injection Molding).

Хотя 3D-печать имеет своё место в промышленности, она не заменит традиционное литьё в формы в ближайшие годы. У обеих технологий свои плюсы и минусы, каждая превосходит другую в специфических областях. 3D-печать отлична для мелкосерийного производства и прототипирования, литьё в формы — наиболее стоимоэффективно для крупных серий.

Из-за низкой стоимости материалов и энергоэффективности литьё в формы рекомендуется при производстве более ~100 кг пластиковых изделий одного типа.

Почему 3D-печать дороже литья в формы?

Предполагая, что форма уже есть, литьё в формы дешевле на единицу продукции. Это и стоимость пластика, и энергоэффективность.

Энергоэффективность 3D-печати и литья в формы

Среднее потребление работающего 3D-принтера при 200 °C сопла и столе 60 °C — ~125 Вт/ч. 3D-печать потребляет в среднем 9,61 кВт на кг пластика, литьё в формы — всего 1,5 кВт на тот же объём.

При тарифе $0,13/кВт·ч (типичный для США) стоимость 1 кг пластика: $1,25 для 3D-печати и $0,19 для литья в формы.

Цифры приблизительные, точная стоимость зависит от станка и модели, но вывод ясен: литьё в формы энергоэффективнее более чем в 6 раз при сопоставимом выходе.

Оценки для 3D-печати основаны на своих замеров Ender 3 v2 (см. статью Факундо). У нас нет литейной машины, расчёты для неё — усреднение нескольких авторитетных источников.

Стоимость пластика для 3D-печати и литья в формы

Стоимость материала на кг для 3D-принтеров примерно в 20 раз выше, чем гранулы для литья в формы.

Если покупали филамент, согласны: $20 за катушку PLA или ABS — норма. Средняя стоимость ABS-гранул — $1 за кг. Теперь понятно, почему бытовые приборы не 3D-принтятся.

Всегда ли литьё в формы дешевле 3D-печати?

Для больших объёмов литьё в формы невероятно выгодно, но 3D-принтеры имеют свою нишу.

Часто нужно произвести малую/среднюю партию: прототип или нишевый продукт с ограниченным спросом.

Для малых объёмов критична стоимость самой формы. Грубо: одноступенчатая форма (простая) — $1000–2000, крупные сложные — до $75 000.

Цена формы как цена машины — огромный разбрат. Для сравнения приму стоимость формы $10 000.

На графике видно: литьё в формы становится выгоднее 3D-печати примерно при 500 кг продукции.

Точка перегиба (500 кг) сильно зависит от стоимости формы. Если форма $2000 (простая одноступенчатая), переход к литью выгоден уже при ~100 кг.

Когда использовать 3D-принтер вместо литья в формы?

Аддитивное производство удобнее для производства нескольких десятков кг. Также идеально для быстрого прототипирования — позволяет итеративно улучшать модели без значительных затрат.

3D-печать позволяет создавать формы, невозможные для традиционных методов. Например, эта Эйфелева башня, напечатанная на Ender 3 v2, не сделать литьём в формы.

3D-печать медленнее литья в формы?

3D-принтер определенно медленнее литейной машины. Не редкость — 3000 крышечек в час. 3D-принтер делает одну такую деталь за ~15 минут. Для той же производительности нужно 750 принтеров или 750 часов печати.

Но 3D-принтер быстрее и удобнее для быстрых итераций и мелкосерийного производства. Очень удобен при прототипировании: можно делать последовательные дизайн-спринты, быстро оптимизируя модель — с литьём в формы так не получится.

Главное: изготовление формы занимает до 10 недель — столько ждать первый серийный экземпляр. С G-кодом на флешке первый предмет готов в тот же день.

Пластик для 3D-печати тот же, что для литья в формы?

3D-принтеры используют катушки филамента, литьё в формы — мелкие гранулы. Но некоторые термопласты используются в обеих технологиях.

Полистирол (HIPS), ABS и Нейлон популярны и там, и там. PLA — король 3D-печати, но в литье в формы почти не применяется.

В литье в формы часто используют акрил, полипропилен, полиэтилен и др. На хоббийных принтерах они несовместимы — слишком высокие температуры экструзии.

Промышленные 3D-принтеры (Stratasys, 3D Systems) совместимы с большинством термопластов. Нюанс: стоят сотни тысяч долларов.

Преимущества и недостатки 3D-печати и литья в формы

У обеих технологий свои ниши, где они превосходят соперника — обе будут использоваться годами (десятилетиями).

Кратко резюмируем.

Преимущества 3D-печати над литьём в формы

Быстрые итерации и улучшение дизайна
Идеально для мелких/средних партий
Персонализированные уникальные изделия
Формы и дизайны, невозможные другими методами
Нет предварительных затрат (формы)
Подходит и хоббистам, и просюмерам

Преимущества литья в формы над 3D-печатью

Очень стоимоэффективно для больших объёмов
Меньше электроэнергии на кг пластика
Высокое качество и мелкие детали
Тысячи изделий в час
Широкий спектр термопластов
Более прочные и стойкие детали

Заключение

Резюмируя: 3D-печать не заменит традиционное литьё в формы. Невозможность современных 3D-принтеров достичь качества и прочности литых деталей — огромный минус аддитивного производства. Сама технология не позволяет добиться невероятных темпов производства традиционных методов.