3D-печатаемые литьевые формы для литья под давлением: обзор дизайна, преимуществ и применения

3D-печатаемые формы для литья под давлением всё чаще используются в производстве. Это отличное дополнение к портфеллю процессов литья под давлением и конкурентная альтернатива традиционным материалам форм.

В этой статье мы подробно разберем, что такое 3D-печатаемая литейная форма, её типы, преимущества и ограничения. В конце поделимся полезными советами для конструкторов форм и инженеров. Начнем!

Что такое литейная форма для литья под давлением?

Литьевые формы — пожалуй, самый важный компонент в установках для литья под давлением. Форма — это многочастная сборка с полостью внутри, которая является точной копией итоговой геометрии изделия.

Система впрыска закачивает расплавленный сырье в эту полость, где он остывает, принимая конечную форму. После этого выталкивающий механизм, также находящийся внутри формы, удаляет готовое изделие. Таким образом, литейная форма выполняет основную задачу: придает изделию форму и выталкивает его.

У качественной литейной формы должно быть несколько свойств: хорошая термическая стабильность для минимизации термического расширения, высокая прочность для выдержки зажимных давлений, хорошая износостойкость для долговечности.

3D-печать формы vs алюминиевая форма

Традиционно алюминий был стандартным материалом для форм литья под давлением низкого-среднего объема. Однако 3D-печатаемые формы быстро набирают популярность благодаря множеству преимуществ: экономия затрат, гибкость дизайна.

Главное различие — в способе изготовления. Алюминиевые формы делают CNC-обработкой. 3D-печатаемые — 3D-печатью. Казалось бы, тривиальная разница, но она существенна и требует обсуждения.

Сначала рассмотрим два основных типа 3D-печатаемых литейных форм.

Форма с металлическим каркасом (Metal Frame Reinforced Mold)

Этот тип заимствует элементы у алюминиевых и 3D-печатаемых форм. Базовая внутренняя структура — полость и каналы — 3D-печатается. Затем эта печать помещается внутрь алюминиевой структуры для лучшей стабильности и долговечности.

Алюминиевый каркас позволяет более высокие давления литья и продлевает жизнь формы. Инженеры также могут легко заменять 3D-печатаемые компоненты при изменениях дизайне или износе.

Автономные формы (Standalone Molds)

Полностью изготавливаются 3D-печатью. По мере быстрого развития 3D-печати, автономные 3D-печатаемые формы набирают популярность в литье под давлением.

Главное преимущество — дополнительная гибкость дизайна для таких фич, как впрыскные каналы, затворы и др.

Преимущества 3D-печатаемых литейных форм

3D-печатаемые формы обладают множеством преимуществ над металлическими аналогами. Основные:

Экономичность

Управление затратами — большая часть эффективного производства. 3D-печатаемая форма значительно дешевле металлических. CNC-станки часто дороги и требуют дорогого обслуживания. 3D-принтеры — дешевле в машинах и обслуживании. Сырье для 3D-печати дешевле металлов для литья. Трудозатраты тоже отличаются: CNC требует квалифицированного станочника, 3D-принтеры доступны более широкой группе техников.

Экономия времени

Важный аспект высокой производительности — управление временем. Главное преимущество 3D-печатаемой формы vs алюминиевой — замечательная экономия времени на изготовлении формы. CNC-обработка — затратный по времени процесс, иногда до недели для сложной формы. 3D-печать быстрее и имеет меньше шагов. Среднее время изготовления формы — порядка нескольких часов, давая 3D-печати очевидное преимущество.

Гибкость дизайна

3D-печать известна возможностями быстрого прототипирования. Быстро, дешево, позволяет тестировать разные итерации дизайна. Та же логика распространяется на 3D-печать форм. Конструкторы форм быстро устраняют ошибки или шероховатости дизайна. Удобно вносить улучшения продукта в производственную линию — просто перепечатать. Такая свобода дизайна недоступна с CNC, где даже одна итерация тяжела для бюджета.

Подходит для литья под давлением малого объема

3D-печатаемые формы хорошо подходят для малосерийного производства. Как обсудим далее, хотя они обладают замечательными механическими свойствами, они изнашиваются быстрее металлических аналогов со временем. Это делает их идеальными для производственных запусков, где делается малое-среднее количество деталей. В таких сетапах инвестиции в дорогую металлическую форму неэффективны — форма недоиспользуется к концу запуска. Более того, малосерийное производство в среднем больше про разработку и тестирование продукта. Дизайн может измениться в середине запуска. В этом сценарии 3D-печатаемая форма идеальна — обновление и дешевое, и быстрое.

Ограничения 3D-печатаемых литейных форм

Плюсы и минусы идут рука об руку. Обсуждение будет неполным, если игнорировать недостатки.

Низкая структурная целостность

3D-печать развивается быстро, но всё ещё отстает от традиционных процессов вроде CNC в некоторых аспектах. Есть врожденные проблемы качества: пористость, отсутствие связности — снижают структурную целостность 3D-печатаемых форм. Обычно у них ниже прочность, твердость, износостойкость (отсюда потребность в алюминиевых усилениях). Они могут отказать под экстремальными температурами и давлениями, иногда необходимых для качественных изделий литья под давлением. В некоторых случаях 3D-печатаемые формы не подходят как замена отлитым/кованым алюминиевым.

Износ поверхности

3D-печатаемые формы не так износостойки, как металлические. Качество поверхности деградирует быстрее алюминия под высокими температурами и давлениями литья. Это проецируется на поверхность изделия. Кроме того, 3D-печать — слой за слоем процесс. Из-за этого 3D-печатаемые литейные формы имеют волнистый узор поверхности (stair-stepping effect), увеличивающий шероховатость деталей литья. Частое решение — отделочные методы: наждачивание, шлифовка, химическая обработка. Но сложно выполнять эти операции на малой форме со сложной геометрией, что часто бывает с 3D-печатаемыми формами.

Длинный производственный цикл

Время охлаждения составляет большой кусок цикла литья под давлением. Поскольку металлы обычно имеют высокую теплопроводность, чем пластики для 3D-печати форм, расплавленному сырью требуется больше времени на затвердевание внутри 3D-печатаемой формы vs алюминиевой. Советуем инженерам форм рассчитывать ожидаемое время охлаждения своих дизайнов перед выбором процесса изготовления.

Усадка и деформация

Усадка и варпинг — два частых дефекта 3D-печати, влияющих на качество 3D-печатаемой литейной формы. Пластики очень чувствительны к теплу и склонны деформироваться (варпинг) во время литья. Поскольку сама форма деформируется, меняется форма её полости, влияя на конечные размеры детали. В большинстве случаев конструкторы митигируют это, вкладывая соответствующие усадки в формы. Но для 3D-печатаемых форм эти усадки трудно предсказать из-за неравномерного поведения 3D-печатаемых структур.

Советы и трюки для 3D-печатаемых литейных форм

Надеемся, вышеизложенное расширило ваши знания. В этом разделе поделимся полезными советами от наших экспертов по дизайну, которые улучшат ваши навыки проектирования форм.

Повысьте теплопроводность композиционными материалами

Высокая теплопроводность улучшает время охлаждения в литье под давлением. Доступны аддитивы для повышения проводимости: графен, нитрид бора, металлические наполнители (медная пудра, алюминиевые хлопья) и др.

Поверхностное покрытие

Низкая износостойкость — главная проблема 3D-печати форм. Подходящие покрытия — металл или керамика — полезны для улучшения поверхностных свойств 3D-печатаемых литейных форм.

Избегайте поддерживающих структур на критических внутренних гранях

Большинство 3D-методов используют поддерживающие структуры для удержания детали при печати. Они оставляют следы после удаления техником-отделочником. Следите, чтобы ни одна из этих структур не была на гранях, образующих полость формы — их следы появятся на детали тоже.

Уменьшите толщину слоя и скорость печати для лучшей поверхности

Качество поверхности 3D-печатаемой формы зависит от толщины слоя и скорости печати принтера. Держите эти настройки низкими для более тонкого финиша поверхности 3D-печати.

Углы разъема немного выше, чем у алюминиевых форм

3D-печатаемые структуры требуют более высоких углов разъема в форме из-за других материаловых свойств. Эксперты рекомендуют средний угол разъема 3° для вертикальных граней литейной формы.

Вентиляция — ключ

Воздушные карманы склонны образовываться внутри полостей форм и снижать качество поверхности. Хорошо иметь мелкие вентиляционные отверстия чуть ниже поверхности полости, чтобы избежать этой проблемы.

Методы и материалы 3D-печати для изготовления форм

В этом последнем разделе кратко представим некоторые 3D-методы печати и материалы, подходящие для 3D-печати форм.

Частые методы 3D-печати:

• Стереолитография (SLA)
• Моделирование методом наплавленного слоя (FDM)
• Материальная струйная печать (Material Jetting)
• Селективный лазерный синтеринг (SLS)

Частые материалы 3D-печати:

• ABS (Акрилонитрил-бутадиен-стирол)
• PETG (Полиэтилентерефталатгликоль)
• PP (Полипропилен)
• Нейлон
• Термопластичные эластомеры (TPE)

Заключение

Это завершает наш разговор на интересную тему 3D-печатаемых форм для литья под давлением. 3D-печатаемые формы — الناشющая альтернатива алюминиевым формам с преимуществами: экономия затрат и времени, гибкость дизайна, отлично для малосерийного производства. Некоторые минусы: низкая структурная целостность и износостойкость по сравнению с металлическими, но есть специализированные решения для устранения этих проблем.

Ищете быстрого изготовителя форм для вашего проекта литья под давлением? WayKen предлагает услуги быстрого инструментального производства и литья под давлением со строгим контролем качества. Наши передовые технологии инструментов и 3D-печати обеспечивают бесподобную точность и экономичность в строительстве продукта. Свяжитесь с нами сегодня, и вы получите котировку и DFM-анализ.

FAQ

Насколько дороги 3D-печатаемые формы vs металлические?
3D-печатаемые формы относительно недороги по сравнению с металлическими. Обычно 3D-печатаемая форма стоит до $200. Металлическая легко $5,000+. Для малосерийного сетапа 3D-печатаемые формы — явный выбор.

Какой частый метод 3D-печати лучше для литейных форм?
Сравнивая только FDM, SLS и SLA, рекомендуем SLA для производства литейных форм. SLA-продукты робастны, гладки, точны. FDM-формы имеют проблемы с выталкиванием и не так гладки, как SLA. Подобные проблемы часто сообщают для SLS-продуктов.

Как улучшить время охлаждения 3D-печатаемой литейной формы?
3D-печатаемые формы не остывают так быстро, как металлические, из-за низкой теплопроводности. Хороший совет — использовать сжатый воздух для увеличения конвективного теплообмена или применяйте взаимозаменяемые стэки.