3D-печатные формы для эффективного литья под давлением малых серий

Статья рассматривает использование 3D-печати для изготовления форм литья под давлением малых серий. Включены проектные рекомендации, материалы, конфигурации форм и сравнительный кейс.

Как спроектировать 3D-печатную форму литья под давлением

Материалы

Материал 3D-печати подходит для форм литья, если обладает:

• Высокой термостойкостью — нужна высокая температура деформации под нагрузкой для выдержки механотермических нагрузок при впрыске материала. Температура быстро падает при затвердевании.
• Высокой жесткостью/вязкостью — повторное извлечение деталей изнашивает форму, нужны материалы с высокой жесткостью для сохранения точности формы во времени.
• Высокой детализацией — главное требование к форме — высокая размерная точность и гладкая поверхность. Точные формы дают точные детали.

Технологии 3D-печати, лучше всего покрывающие эти требования — SLA и Material Jetting. Они дают высокую размерную точность и идеальны для сложных деталей и микрофич. Специализированные материалы вроде Formlabs High Temperature resin или Stratasys Digital ABS идеальны для формовочного и оснасточного производства. Ниже — свойства, наиболее релевантные для литья, для этих двух материалов.

Для промышленных применений настольный SLA не подходит. Подробное сравнение двух самых популярных промышленных материалов для форм (Digital ABS и Somos PerFORM) — здесь.

Свойство	Formlabs High Temp resin*	Stratasys Digital ABS**
Температура деформации под нагрузкой	289 °C @ 0,45 МПа	92–95 °C @ 0,45 МПа
Модуль упругости на изгиб	3,3 ГПа	1,7–2,2 ГПа
Ударная вязкость (Notched IZOD)	14 Дж/м	65–80 Дж/м
Минимальная высота слоя (разрешение)	25–50 микрон	16–30 микрон
Минимальный размер детали	0,2 мм	0,2 мм

* Данные Formlabs. ** Данные Stratasys.

3D-печатная форма литья из Digital ABS.

Конструкция формы

Детальное техническое проектирование элементов формы (запуски, каналы, вентиляция) выходит за рамки статьи. В интернете много информации, хорошая отправная точка для новичков — пост Seattle Robotics.

Хорошие практики проектирования 3D-печатной формы:

• При проектировании для SLA ориентируйте внутренние грани формы так, чтобы никакие поддержки не контактировали с ними. Это улучшает качество поверхности — никаких следов поддержек, минимизируется пост-обработка.
• Включайте неглубокие вентиляционные каналы (глубина 0,05 мм) от края полости до края формы — помогут удалить запертый воздух при впрыске.
• Если форма для >20 закачек, заложите каналы для вмонтирования металлических стержней или трубок. Укрепят форму, снизят варпинг и улучшат охлаждение.
• Печать формы при меньшей высоте слоя дает более гладкие отливки за счет менее видимых линий печати.
• Болтованные и выгравированные детали должны быть смещены от поверхности минимум на 1 мм.

Специфические ограничения зависят от литейной машины. Однако Stratasys рекомендует: формы с их Material Jetting принтерами — для деталей макс. объемом 165 см³ в машинах 50–80 тонн или ручных прессах.

Проектирование деталей для литья под давлением

Как и для обычных форм, дизайнер должен учитывать:

• Наклонный угол минимум 2° для облегчения извлечения детали из формы.
• Равномерную толщину стенок по всей детали.
• Все стенки и элементы максимально тонкими.
• Скругления на всех ребрах и углах.
• Тонкие ребра и подушки для усиления вместо увеличения толщины стенок.

Дизайн наклонного угла для литья под давлением.

Подробнее о важности наклонных углов — в этой статье.

Снижение заусенцев

Заусенец — материал, вытекающий между половинками формы при впрыске. Возникает при неидеальном стыковке половинок, неидеальной плоскости или переполнении. Каналы в дизайне формы помогают снизить риск заусенцев.

При дизайне для алюминиевой рамы добавьте 0,125 мм лишней толщины к тылу пластин формы для компенсации сил сжатия и обеспечения полной герметичности. Повышение силы зажима в тисках также помогает, как и полировка разделительной плоскости формы для максимальной плоскости.

Хороший дизайн формы и плоская разделительная плоскость снижают риск заусенцев. (изображение Formlabs)

Отделительная смазка

Из-за относительной хрупкости материалов 3D-печатных форм по сравнению с традиционными, чрезмерное усилие при извлечении детали ведет к быстрому износу формы. Нанесение отделительной смазки на поверхности полости формы перед впрыском значительно облегчает извлечение детали.

Кейс: пластиковая втулка мотора

Сравним производство кастомной пластиковой втулки для корпуса мотора. Требования:

• Общее количество деталей: 25 шт.
• Нужна высокая размерная точность для плотного посада.
• Вес детали: 0,005 кг (5 г).
• Материал: ABS.
• Цвет: черный.
• Общий диаметр: 40 мм.

Альтернативные варианты производства:

Промышленная FDM-печать ABS: высокая повторяемость, высокая размерная точность, малые/средние партии. Стоимость ABS-филамента для промышленных систем FDM — ~$90–110/кг. Главное ограничение — анизотропная механика: детали значительно слабее в одном направлении. Дизайнер должен понимать нагрузки и ориентацию модели на столе.

Литье ABS в 3D-печатных SLA-формах: высокотемпературные SLA-смолы дают функциональные формы литья с высокой точностью для малых серий. SLA-смолы рознично ~$150–170/л. В расчетах использован настольный литейный станок с 3D-печатными формами в алюминиевых рамах. ABS-гранулы для литья ~$2–3.

Традиционное литье ABS: очень высокая точность, отличная поверхность, высокая повторяемость. Главные минусы — высокие первоначальные затраты на настройку и проектные ограничения (наклонные углы, постоянная толщина стенок). Стоимость ABS-гранул та же.

Сводка затрат (на основе онлайн-котировок) для производства ABS-втулки описанными технологиями. Все цены без доставки.

	Пром. FDM*	3DP IM**	Традиц. IM***
Стоимость формы	N/A	$70,85	$1 660,72
Стоимость детали	$3,69	$0,05	$1,89
Итоговая стоимость	$92,25	$72,10	$1 711,48
Лид-тайм	4 дня	2 дня	8 дней

* Котировка Protolabs Network, ABS, 20% инфилл, Fortus 250MC. ** Котировка Protolabs Network, Formlabs High Temp resin, Form 2. *** Котировка Protolabs.

Следующие шаги: как произвести детали литьем под давлением

Подходит ли литье малых серий с 3D-печатными формами для вашего применения? Два пути вперед:

Если есть доступ к литейной машине и ноу-хау проектирования форм — 3D-печать формы в термостойком материале — вариант. Статья о плюсах/минусах двух популярных материалов для форм малых серий — здесь.

Иначе — аутсорсинг профессиональному производителю литья под давлением. Protolabs Network дает доступ к глобальной сети поставщиков литья, способных спроектировать форму и производить объемы 100–10 000+ шт.

Нужен совет по проекту литья? Свяжитесь с экспертом