Пошаговое руководство по созданию форм для литья под давлением, напечатанных на 3D-принтере

Литье под давлением — популярный производственный процесс, используемый для изготовления деталей в больших объемах с постоянным качеством. Этот процесс включает впрыскивание расплавленного пластика в полость формы, придающую форму готовой детали, которая обычно изготавливается из металла. Любой, кто знаком с этим процессом, скажет вам, что традиционный метод изготовления пресс-форм может быть трудоемким и дорогим — на самом деле он не стоит затраченных усилий для небольших тиражей или нестандартных деталей. Познакомьтесь с формами для 3D-печати:более дешевой и быстрой альтернативой, идеально подходящей для мелкосерийного производства и прототипирования.

1. Создайте проект САПР

Начните с создания проекта пресс-формы в программном обеспечении САПР, учитывая геометрию детали, выбор материала, расположение литников и каналы охлаждения. Выберите термостойкий, жесткий материал, способный выдерживать давление впрыска, и спроектируйте форму так, чтобы минимизировать контакт с опорой и получить более гладкую поверхность. Добавление вентиляционных отверстий помогает предотвратить такие дефекты, как попадание воздуха, а каналы охлаждения ускоряют производство. 

2. Экспортируйте файл проекта САПР

Как только дизайн будет завершен, экспортируйте его в файл STL — стандартный формат для 3D-печати. Другие поддерживаемые типы файлов:FBX, OBJ, 3MF, PLY, G-Code, X3G и AMF.

3. 3D-печать пресс-формы

Импортируйте файл STL в программное обеспечение для 3D-печати и выберите метод печати с учетом стоимости, прочности и качества поверхности. FDM (моделирование наплавлением) — экономически эффективный метод, но может потребоваться шлифование или химическое выравнивание. Для более гладких и детализированных форм лучше всего подходит SLA/DLP (стереолитография/цифровая обработка света), а струйная обработка материала позволяет создавать формы из нескольких материалов/цветов с мелкими деталями. Для получения прочных форм с хорошим качеством поверхности вы можете использовать нейлон с процессом SLS (селективного лазерного спекания).

После печати форму необходимо закрепить на металлическом основании для поддержки во время литья под давлением. Это можно сделать либо с помощью вставок пресс-форм в алюминиевой раме, которые более точны, уменьшают такие дефекты, как деформация, и обеспечивают равномерное распределение давления, либо с помощью форм, полностью напечатанных на 3D-принтере и не требующих рамы. Однако для этого требуется больше материала, что увеличивает как стоимость, так и риск деформации.

5. Начало процесса литья под давлением

После установки формы на металлический каркас она готова к процессу литья под давлением. В процессе литья под давлением форма зажимается, и расплавленный материал впрыскивается в форму через литниковую втулку. Жидкость заполняет полости формы и принимает форму изготавливаемой детали. После того как материал остынет и затвердеет, форму открывают и деталь вынимают.

Что такое 3D-печатные формы для литья под давлением?

Пресс-формы превращают расплавленный пластик в конечные продукты, которые принимают форму и отделку полости формы. Изготовление этих форм с помощью 3D-печати изменило правила игры. В отличие от обработки на станке с ЧПУ, 3D-печать не требует каких-либо специальных знаний, что снижает трудозатраты. Используемые материалы — обычно пластик — намного дешевле, чем алюминий или сталь, а общая стоимость может быть до 90% ниже, чем у традиционных форм. В то время как изготовление традиционных форм может занять недели или месяцы (да, месяцы!), даже самые сложные формы, напечатанные на 3D-принтере, могут быть готовы за считанные дни. Это означает, что любые необходимые изменения можно быстро и легко внести до масштабирования производства. Хотя формы, напечатанные на 3D-принтере, имеют более короткий срок службы, из них все же можно изготовить до 10 000 деталей, в зависимости от материала. 

Формы, напечатанные на 3D-принтере, лучше всего подходят для деталей объемом до 164 см³ (металлические формы выигрывают в этом раунде, поскольку в них можно разместить гораздо более крупные детали). Еще одна область, в которой металлические формы превосходят другие, — это долговечность:формы, напечатанные на 3D-принтере, обычно выдерживают высокие температуры и давления при литье под давлением. Они также склонны к усадке и деформации во время охлаждения, что особенно неприятно для деталей с жесткими допусками. В целом полимеры имеют более низкую теплопроводность, чем металл, поэтому формы, напечатанные на 3D-принтере, замедляют процесс литья под давлением (хотя изготовление формы, несомненно, происходит намного быстрее). По сути, вам придется использовать металлические формы для высокоточного и крупносерийного производства.

Каковы преимущества 3D-печатных форм для литья под давлением?

Формы, напечатанные на 3D-принтере, имеют ряд преимуществ перед формами, изготовленными традиционными методами производства, в том числе:

1. Экономичность: Для большинства применений литьевые формы, напечатанные на 3D-принтере, более экономичны, чем те, которые изготавливаются традиционными методами. Пластиковые материалы, используемые для изготовления печатных форм, дешевле, чем алюминий и сталь, используемые для традиционных технологий изготовления форм. Кроме того, 3D-печать — это быстрый и недорогой подход к производству пресс-форм по сравнению с механической обработкой с ЧПУ, традиционно используемой для изготовления пресс-форм. 
2. Простота использования: Для печати литьевой формы с использованием технологии 3D-печати не требуется никаких специальных знаний. Это снижает затраты на рабочую силу, связанные с традиционными процессами изготовления пресс-форм, например. Станки с ЧПУ. 
3. Подходит для мелкосерийного производства: Формы, напечатанные на 3D-принтере, лучше подходят для мелкосерийного производства, чем формы, изготовленные на станках с ЧПУ.  С помощью 3D-печати можно изготовить до 10 000 деталей в зависимости от материала, из которого напечатана форма. Стоимость также может быть на 90% ниже, чем у металлических форм. Первоначальные инвестиционные затраты на 3D-принтеры также ниже, а материалы форм (например, пластик) дешевле. 
4. Гибкий процесс проектирования пресс-форм: Универсальность технологии 3D-печати обеспечивает большую гибкость при проектировании форм. Проектировщики и производители пресс-форм могут легко создавать и модифицировать формы с помощью 3D-печати. 3D-печать на основе пластика идеально подходит для ситуаций, когда важны низкие затраты и короткие сроки выполнения работ, а также для прототипирования. Это позволяет компаниям быстрее выполнять итерации и тестирование, прежде чем переходить к традиционным инструментам для крупномасштабного производства.
5. Быстрая обработка: Помимо высокой стоимости, алюминиевые или стальные формы имеют длительный срок изготовления. Например, производство сложного стального инструмента для литья под давлением может занять несколько месяцев, а изготовления алюминиевой формы — несколько недель. Напротив, форму, напечатанную на 3D-принтере, даже сложную, можно напечатать и подготовить в течение нескольких дней, что значительно сокращает время выполнения заказа. 

Каковы недостатки 3D-печатных форм для литья под давлением?

Пластиковые формы, напечатанные на 3D-принтере для литья под давлением, имеют ряд недостатков, в том числе:

1. Дефекты усадки и деформации: Во время охлаждения формы, напечатанные на 3D-принтере, могут испытывать усадку и деформацию, что может вызвать проблемы с изделиями с жесткими допусками. Это может привести к появлению дефектов в форме и повлиять на качество конечного продукта.
2. Эксперименты могут привести к напрасным тратам: Хотя 3D-печать позволяет легко вносить изменения в конструкцию, существует вероятность появления дефектов в форме, которые можно будет заметить только в конце процесса печати, что приведет к увеличению отходов. Хотя отходы можно переработать, это все равно может стать недостатком с точки зрения времени и ресурсов.
3. Ограничения по размеру: Когда дело доходит до ограничений по размерам, вставки в пресс-формы, напечатанные на 3D-принтере, наиболее подходят для небольших компонентов объемом до 164 см3. Напротив, механически обработанные металлические формы имеют большую емкость и могут легко вмещать детали объемом до 966 см3 для литья под давлением.
4. Деградация: Одним из недостатков вставок, напечатанных на 3D-принтере, является их ограниченная способность выдерживать высокие температуры, возникающие при литье под давлением, особенно при использовании высокотемпературных полимеров. Со временем экстремальные условия процесса формования могут привести к деградации и деформации вставок, напечатанных на 3D-принтере, что сделает их непригодными для крупносерийного производства. 
5. Длительное охлаждение: Хотя время изготовления форм, напечатанных на 3D-принтере, обычно быстрее, чем при использовании традиционных методов оснастки, сам процесс литья под давлением может занять больше времени. Это связано с более низкой устойчивостью форм, напечатанных на 3D-принтере, к давлению и температуре по сравнению с металлическими формами. Теплопроводность полимеров также является проблемой. В результате время цикла литья под давлением увеличивается, что приводит к увеличению производственных затрат и снижению объема производства.

Насколько важна форма для литья под давлением?

Пресс-форма является важнейшим компонентом процесса литья под давлением. Он отвечает за придание расплавленному пластиковому материалу желаемой формы, что делает его решающим фактором в определении конечного качества продукта, полученного литьем под давлением. Пресс-форма определяет геометрию, качество поверхности и точность размеров изделия, что делает ее жизненно важным элементом в достижении желаемых характеристик.

Конструкция и конструкция пресс-формы также играют важную роль в эффективности и производительности процесса литья под давлением. Хорошо спроектированная и правильно изготовленная форма может увеличить производительность, сократить отходы материала и свести к минимуму риск появления дефектов в готовом изделии. Напротив, плохо спроектированная или изготовленная форма может привести к задержкам производства, увеличению отходов материала и повышению производственных затрат.

Почему формы, напечатанные на 3D-принтере, дешевле?

Формы, напечатанные на 3D-принтере, дешевле, чем их традиционные металлические аналоги по нескольким причинам. Во-первых, материалы, используемые для 3D-печати, такие как термопласты и фотополимеры, дешевле, чем традиционные материалы для изготовления форм, такие как сталь или алюминий. Во-вторых, процесс 3D-печати, как правило, быстрее, чем традиционные процессы изготовления пресс-форм, такие как обработка на станке с ЧПУ или литье, что сокращает общее время и стоимость производства. В-третьих, 3D-печать устраняет необходимость в специализированных инструментах и ​​оборудовании, приобретение и обслуживание которых может оказаться дорогостоящим. Наконец, 3D-печать позволяет создавать сложные геометрические формы, которые может быть трудно или невозможно достичь с помощью традиционных методов изготовления форм, что снижает потребность в дорогостоящих вторичных операциях. 

Какие факторы следует учитывать при использовании форм для 3D-печати для литья под давлением?

Успех процесса литья под давлением во многом зависит от качества 3D-печатной формы, поэтому при ее изготовлении следует учитывать несколько вещей. Во-первых, материал формы должен выдерживать высокие температуры и давление, не деформируясь и не плавясь, поэтому выбирайте с умом. Дизайн формы не менее важен. Равномерная толщина стенок помогает предотвратить деформацию и дефекты, а отсутствие острых углов снижает точки напряжения и повышает долговечность. Расположение ворот должно быть оптимизировано для обеспечения надлежащего потока материала, а также должны быть установлены направляющие системы, чтобы предотвратить вспышку или выход лишнего материала из формы. Такие настройки, как регулировка силы зажима и давления впрыска, могут еще больше улучшить результаты. 

Качество поверхности также является важным фактором. Формы, напечатанные на 3D-принтере, обычно имеют более шероховатую поверхность, чем алюминиевые или стальные формы. Это может повлиять на текстуру конечного продукта и может потребовать последующей обработки для достижения более гладкой поверхности. Для деталей, требующих высококачественной поверхности, лучшим выбором являются металлические формы. Улучшение качества поверхности минимизирует шероховатость и повышает качество детали. Наконец, углы уклона от 1,5° до 2° облегчают извлечение детали и предотвращают повреждение отформованной детали, увеличивая как долговечность формы, так и качество продукции. Перед полным производством пресс-форму необходимо тщательно протестировать и проверить, чтобы выявить любые конструктивные недостатки или слабые места, чтобы вы могли внести коррективы, прежде чем приступить к производству. Вам также придется выбрать форму, соответствующую размеру детали, которую вы хотите изготовить.

Каковы другие типы процессов литья под давлением?

Существуют различные методы литья под давлением. Некоторые из этих методов перечислены и обсуждаются в следующих разделах: 

1. Литье под давлением с газом

Проблема с производством толстых деталей из пластика, отлитых под давлением, заключается в том, что они могут деформироваться при охлаждении. Литье под давлением с использованием газа обеспечивает решение этой проблемы путем впрыскивания газа, обычно азота, в литьевую форму, заполненную пластиковым материалом. Это позволяет пластику на внешней стороне формы оставаться гладким и законченным, а внутренняя часть становится пористой или полой. Это предотвращает деформацию детали в процессе охлаждения и снижает стоимость детали за счет уменьшения количества используемого материала. Он используется для создания деталей с толстыми стенками и сложной геометрией, сокращения использования материала и времени цикла, а также улучшения качества деталей. Этот процесс может быть более дорогим по сравнению с другими методами литья под давлением. 

2. Уникальные формулы материалов

Использование уникальных рецептур материалов расширяет возможности формования. Компании, занимающиеся литьем под давлением, могут использовать различные добавки, наполнители и специализированные материалы для создания индивидуальных деталей с уникальными свойствами, такими как электропроводность, биосовместимость или огнестойкость. 

3. Литье металлов под давлением

При литье металлов под давлением (MIM) в качестве сырья для литья используется комбинация металлического порошка и связующего материала. Смесь нагревают выше температуры плавления связующего, чтобы смесь могла течь в форму под давлением. Когда связующее остывает, «зеленая» часть выбрасывается. Связующий материал выжигается, а затем оставшийся металл спекается при подходящей температуре для достижения окончательной формы. Этот метод более дорогостоящий, чем литье пластмасс под давлением, и обычно используется в специализированных целях. Например, литье металлов под давлением используется в индустрии сотовых телефонов для защиты электронных компонентов от радио- и микроволновых помех.

4. 3D-печать

3D-печать не является методом литья под давлением. Это метод непосредственного создания деталей с использованием определенных термопластов или металлов путем нанесения их слой за слоем на печатную платформу. Значение 3D-печати в технологии литья под давлением заключается в том, что 3D-печать можно использовать для изготовления литьевых форм, используемых для создания нескольких одинаковых деталей. Кроме того, с помощью 3D-печати можно изготавливать литьевые формы из пластика или металла. Однако пластиковые формы, напечатанные на 3D-принтере, в настоящее время более распространены, чем металлические формы. 

5. Литье термопластов под давлением

Литье термореактивных пластмасс под давлением является наиболее часто используемым методом литья под давлением. Жидкий силиконовый каучук и подходящий катализатор впрыскиваются в горячую форму, которая вулканизирует или задает форму детали внутри формы. Такие материалы нельзя расплавить и переработать в процессе. Однако, если вам требуется деталь, способная выдерживать высокие температуры или химические вещества, например, в медицинских устройствах или автомобильных деталях, вам может потребоваться использовать литье под давлением жидкого силикона. 

6. Тонкостенный багет

Этот тип литья под давлением предполагает создание пластиковых деталей со стенками, которые обычно тоньше 1 мм. Тонкостенное формование используется для изготовления легких, объемных деталей, требующих минимального расхода материала. Он находит применение в различных областях, таких как:испытательная аппаратура, электроника, сосуды, трубки и другие корпуса. Чтобы гарантировать, что тонкостенная геометрия может выдерживать условия применения без каких-либо дефектов, специалисты по литью пластмасс под давлением, выполняющие тонкостенное формование, должны тщательно учитывать каждый аспект конструкции детали, конструкции пресс-формы и обработки.

Часто задаваемые вопросы о 3D-печатных формах для литья под давлением

Можете ли вы напечатать на 3D-принтере формы для всех методов литья под давлением?

Не совсем. Хотя формы для 3D-печати отлично подходят для прототипирования и небольших производственных циклов, они подходят не для всех методов литья под давлением, особенно для тех, которые требуют высокой точности, чрезвычайной долговечности или больших объемов производства. Пластиковые формы, напечатанные на 3D-принтере, не всегда выдерживают высокое давление и температуру, используемые в некоторых процессах литья под давлением. Металлические формы, напечатанные на 3D-принтере, прочнее, но все же имеют ограничения по сравнению со стальными формами, обработанными традиционным способом.

Формы, напечатанные на 3D-принтере, разрушаются быстрее, что делает их менее подходящими для крупносерийного производства. Некоторые методы литья под давлением требуют сверхгладких или сложных поверхностей формы, чего не всегда удается достичь с помощью 3D-печати. Хотя формы, напечатанные на 3D-принтере, хорошо подходят для определенных применений, традиционные формы являются лучшим выбором для таких процессов, как газовое формование, литье под давлением металла (MIM) или высокотемпературные термопласты.

Какую постобработку можно выполнить на пресс-формах для литья под давлением, напечатанных на 3D-принтере?

Чтобы улучшить качество поверхности и точность форм, напечатанных на 3D-принтере, многие производители применяют некоторые методы постобработки, такие как шлифование и полировка, которые могут помочь сгладить поверхность. Вы также можете использовать защитное керамическое покрытие на печатной форме, чтобы уменьшить проблемы с термической деградацией и получить более гладкую поверхность.

Можно ли использовать PLA для литья под давлением?

К сожалению, нет. Хотя PLA (полимолочная кислота) является популярным термопластичным материалом для 3D-печати, он имеет относительно низкую температуру плавления по сравнению с такими материалами, как ABS, поликарбонат и нейлон. PLA хрупок и ему не хватает ударной вязкости, необходимой для литья под давлением, что делает его склонным к растрескиванию при высоких нагрузках. Он также разлагается при высоких температурах и может выделять токсичные пары, что делает его небезопасным для использования в условиях высоких температур и высокого давления при литье под давлением.

Можете ли вы напечатать 3D-формы для литья под давлением?

Да, можно напечатать на 3D-принтере формы для литья под давлением. Технология 3D-печати упростила и сделала более доступным создание форм для литья под давлением. Однако важно отметить, что формы, напечатанные на 3D-принтере, могут не подходить для всех типов проектов литья под давлением, особенно для тех, которые связаны с крупносерийным производством или для тех, которые требуют высокоточных или высокопрочных форм. Тем не менее, формы, напечатанные на 3D-принтере, могут быть экономичным и эффективным вариантом для мелкосерийного производства или производства прототипов.

Являются ли формы, напечатанные на 3D-принтере, более дорогими, чем традиционные формы?

Нет. В целом, формы, напечатанные на 3D-принтере, используемые для литья под давлением, дешевле, чем традиционные формы. Стоимость традиционных форм обычно высока из-за используемых материалов, сложности конструкции и производственных процессов. С другой стороны, технология 3D-печати значительно снизила стоимость изготовления пресс-форм за счет устранения некоторых дорогостоящих и трудоемких процессов, связанных с традиционным изготовлением пресс-форм.

Стоимость форм, напечатанных на 3D-принтере, может варьироваться в зависимости от таких факторов, как размер и сложность формы, используемая технология печати и материалы, используемые для печати. Например, использование высококачественных машин и материалов для 3D-печати может увеличить стоимость форм, напечатанных на 3D-принтере.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с более чем 20-летним писательским опытом. Кэт имеет опыт написания статей для различных производственных и технических организаций и любит мир техники. Помимо писательской деятельности, Кэт почти 10 лет работала помощником юриста, семь из которых занималась финансированием судов. Она писала для многих изданий, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет степень бакалавра английской литературы и философии, а также степень магистра писательского мастерства в Кингстонском университете.

Прочтите другие статьи Кэт де Наум



Оптимизация прочности 3D-печати:выбор правильного рисунка и типа заполнения 3D-принтеры Powder Bed Fusion:типы, преимущества, ограничения и принцип работы