Как 3D-печать улучшает формообразование: преимущества и инновации

Традиционно наиболее широко используемые производственные процессы в промышленности классифицировались на две основные группы: вычитающее производство, представленное в основном СНЦ-обработкой, и формообразование или литье, представленное литьем под давлением и литьем в выплавимые модели. Обе группы сосуществовали до сегодняшнего дня, а выбор одной или другой в основном зависел от сложности детали, выбранного материала или объема производства.

В последнее время в промышленности третья группа начала проникать, пока сосуществует с предыдущими двумя: аддитивное производство или 3D-печать. За исключением очень специфических случаев или применений, в настоящее время и вычитающее, и аддитивное, и формообразование поддерживают большое количество общих материалов и способны производить высоко сложные детали. Именно поэтому критерий выбора часто основан в основном на стоимости производства.

Изображение 1: Кривые единичной стоимости в зависимости от объема производства. Источник: 3Dhubs.com

В малых или средних объемах производства формообразование не может конкурировать с аддитивным производством и СНЦ-обработкой, главным образом из-за высоких затрат на амортизацию оборудования и необходимости дорогих форм. Однако, когда речь идет о массовом производстве, формообразование — безусловный лидер.

Формование литьем требует изготовления форм для литья под давлением, и выплавимых восковых моделей в случае литья в выплавимые модели, которые, в свою очередь, также требуют форм или СНЦ-методов для их производства. И именно поэтому СНЦ-обработка всё еще необходима даже в процессах формования литьем, так как традиционно это был самый распространенный метод производства многоразовых форм.

Изображение 2: Форма для литья под давлением. Источник: https://commons.wikimedia.org/

Изображение 3: Восковая модель для литья в выплавимые модели. Источник: https://commons.wikimedia.org/

Но что может дать 3D-печать формообразованию?

Литье в выплавимые модели

Литье в выплавимые модели состоит в нанесении керамического покрытия на жертвенную восковую модель и её обжиге для получения формы. Это процесс, широко используемый в производстве чугунных механических компонентов благодаря своей высокой точности и факту, что он позволяет производить высоко сложные формы.

Главный недостаток этого процесса в том, что форма разрушается при извлечении детали, поэтому для каждой детали необходимо создавать восковую модель и форму.

Видео 1: Процесс литья в выплавимые модели. Источник: Niagara Investment Castings

Для производства восковых моделей требуется постоянная форма, обычно обрабатываемая из алюминия на СНЦ-станках. Это означает, что для малых объемов производства затраты резко возрастают. Другой альтернативой является использование СНЦ-обработки для производства восковых моделей в случае прототипов или малого объема, но хотя затраты снижаются, это требует дорогого оборудования и имеет определенные ограничения по сложным деталям.

Именно здесь 3D-печать может означать смену парадигмы. С одной стороны, разработка новых отливочных материалов для SLA и FDM печати позволяет заменить традиционные восковые модели на 3D-напечатанные полимерные модели. Это влечет за собой ряд преимуществ не только на уровне затрат на производство моделей, но и в экономии времени и гибкости при вводе новых продуктов или исправлении дефектов. Кроме того, модели, произведенные 3D-печатью, имеют гораздо более высокую прочность, чем воск, минимизируя возможность их поломки или дефектов при манипуляциях.

Сегодня практически все производители смол имеют высококачественные отливочные материалы, такие как отливочная смола Formlabs или Uniz ZWax. Это заставило SLA-печать во многом заменить использование воска в таких секторах, как ювелирное дело, где использование принтеров вроде Form 3 является обычным.

Изображение 3: Ювелирные модели, напечатанные 3D для литья в выплавимые модели. Источник: Formlabs

Несмотря на это, в других секторах, таких как промышленность, восковые модели все еще распространены, возможно, из-за необходимости крупных моделей. Сегодня появление крупноформатных SLA-принтеров вроде Form 3L или UniZ zSLTV, а также разработка отливочных филаментов вроде PolyCast, делают ограничение по размеру всё менее значимым и позволяют промышленным секторам пользоваться преимуществами замены 3D-моделей на восковые.

Видео 2: Использование филамента Polycast. Источник: Polymaker.

Однако производство восковых моделей также подчиняется графику на рисунке 1, достигая точки, где стоимость изготовления восковых моделей с помощью формы становится более выгодной, чем их производство 3D-печатью. И даже здесь 3D-печать имеет много чего предложить. Низкая температура плавления воска означает, что традиционные алюминиевые или стальные формы могут быть заменены 3D-напечатанными формами, с существенной экономией как экономических, так и временных затрат.

Изображение 4: Form 3L. Источник: Formlabs

Литье под давлением

Литье под давлением — это формообразующий процесс, при котором расплавленный пластик впрыскивается в съемную форму и дается остыть и затвердеть внутри.

Традиционно использование 3D-печати в производстве форм для литья под давлением считалось нецелесообразным. Это было связано с двумя основными причинами: низкой теплостойкостью полимеров, используемых в 3D-печати, и шероховатостью поверхности, присущей металлической SLS 3D-печати.

Сегодня 3D-печать не может полностью заменить СНЦ-обработанные формы для литья, однако разработка SLA-материалов для 3D-печати с высокой тепло- и механической стойкостью открыла дверь для использования 3D-напечатанных форм.

Примером является смола Formlabs High Temp, способная выдерживать температуры почти 300 °C под давлением 0.45 МПа. Её высокие термо-механические свойства, вместе с высоким разрешением и отличной качеством поверхности SLA-технологии, делают её идеальным материалом для производства форм.

Изображение 5: Форма для литья, изготовленная 3D-печатью SLA. Источник: 3Dhubs

По этой причине 3D-печать может быть отличным дополнением в производстве форм для литья. С одной стороны она позволяет производить экономичные формы для малых серий, а с другой — помогает верифицировать дизайн металлических форм перед их механической обработкой. Последнее имеет большое значение, так как исправление дефекта в механически обработанной форме требует шлифовальных процессов и даже полной переработки новой формы, что ведет к значительному увеличению затрат и задержке производства.

Силиконовые и термоформированные формы

Силиконовые и термоформированные формы — это одноразовые формы, широко используемые в выпечке, кулинарии, ювелирном деле или косметике.

Это очень экономичные формы и очень простые в изготовлении. Они гибкие или полугибкие для облегчения разформовки, в основном используются с нерасплавляющимися или низкотемпературно расплавляющимися материалами, такими как шоколад, смолы, цементы и т.д.

Изображение 6: Силиконовые формы. Источник: wikipedia

Изображение 7: Термоформированная форма. Источник: Mayku

Возможно, это самый распространенный тип форм, который мы все использовали когда-либо, например, для изготовления ледовых кубиков, шоколадок или кексов.

Однако их использование не ограничивается домашней выпечкой, они широко используются в ювелирном деле для изготовления смолиных ювелирных компонентов, или в искусстве и декоре для производства элементов из цемента и гипса.

Несмотря на то, что их изготовление очень просто, единственный способ сделать формы — иметь исходную модель для использования в качестве шаблона, и именно здесь 3D-печать становится полезной.

3D-печать дает возможность получать индивидуальные модели быстро и недорого для использования в качестве шаблона при производстве силиконовых и термоформированных форм. Это, вместе с доступностью недорогого термоформирующего оборудования, такого как Mayku Formbox, позволяет небольшим кондитерским, ювелирным мастерским и ремесленникам производить свои собственные персонализированные формы просто и недорого, придавая добавленную стоимость их продуктам.

Видео 3: Термоформирование с Mayku Formbox. Источник: Mayku

3D-печать — не только полезный ресурс для снижения затрат при малых объемах производства, но даже в крупных производствах, где использование форм необходимо, 3D-печать доказала, что это очень полезная технология, которая может помочь в их производстве или в некоторых случаях даже заменить их.