Формы для 3D-печати для эффективного малотиражного литья под давлением

В этой статье обсуждается использование 3D-печати для печати форм для мелкосерийного литья под давлением. Включены конструктивные соображения, материалы, конфигурации форм и сравнительный практический пример

Как спроектировать литьевую форму, напечатанную на 3D-принтере

Материалы

Материал для 3D-печати подходит для создания литьевой формы, если он имеет:

• Высокая термостойкость - Требуется высокая температура теплового отклонения, чтобы выдерживать механические и термические нагрузки, прикладываемые к форме во время впрыска материала. Обратите внимание, однако, что температура быстро снижается во время затвердевания.
• Высокая жесткость/прочность – Повторное снятие деталей может привести к износу формы, поэтому для поддержания точности формы с течением времени требуются материалы с высокой жесткостью.
• Высокий уровень детализации - Одним из основных требований к литьевой форме является высокая точность размеров и гладкая поверхность. Высокоточные формы позволяют производить очень точные детали.

Технологии 3D-печати, которые лучше всего отвечают этим требованиям, — это SLA и Material Jetting. Эти технологии позволяют производить детали с высокой точностью размеров и идеально подходят для печати сложных деталей и очень мелких деталей. Специальные материалы, доступные в этих технологиях, такие как высокотемпературная смола Formlabs или Stratasys Digital ABS, идеально подходят для формования и оснастки. Краткое описание свойств, наиболее важных для литья под давлением этих двух материалов, показано ниже.

Для промышленных приложений соглашение об уровне обслуживания для настольных компьютеров не подходит. Подробную статью, в которой сравниваются два наиболее часто используемых материала для промышленной 3D-печати для изготовления пресс-форм (Digtal ABS и Somos PerFORM), можно найти здесь.

Собственность Высокотемпературная смола Formlabs Stratasys Digital ABS** Температура теплового отклонения 289 ℃ при 0,45 МПа 92–95 ℃ при 0,45 МПа Модуль упругости при изгибе 3,3 ГПа 1,7–2,2 ГПа Ударная вязкость (с надрезом по ИЗОД) 14 Дж/м 65–80 Дж/м Наименьшая высота слоя (разрешение) 25–50 микрон 16–30 микрон Минимальный размер детали 0,2 мм 0,2 мм *Информация получена от Formlabs**Информация получена от Stratasys 3D-печатная литьевая форма, изготовленная из цифрового ABS

Дизайн пресс-формы

Описание конкретной технической конструкции элементов пресс-формы (таких как ворота, направляющие, вентиляционные отверстия и т. д.) выходит за рамки этой статьи. Поиск в Интернете выдаст большое количество информации по этому вопросу. Этот пост от Seattle Robotics — хорошая отправная точка для новичков в проектировании литьевых форм.

Вот список некоторых передовых методов, которым следует следовать при проектировании 3D-печатной формы:

• При проектировании формы для печати SLA убедитесь, что внутренние поверхности формы ориентированы так, чтобы с ними не контактировала никакая опора. Это улучшит качество их поверхности, поскольку на этих поверхностях не будет следов поддержки, что сводит к минимуму необходимую постобработку.
• Установка неглубоких вентиляционных отверстий (глубиной 0,05 мм) от края полости до края формы поможет удалить захваченный воздух в процессе формования.
• Если 3D-печатная форма будет использоваться более чем для 20 запусков, рассмотрите возможность включения в конструкцию каналов для встраивания металлических стержней или трубок. Это поможет укрепить форму, уменьшить коробление и сократить время охлаждения.
• 3D-печать формы с меньшей высотой слоя может помочь получить более гладкие формованные детали, поскольку на формах будут менее заметные линии печати.
• Детали с тиснением и гравировкой должны быть смещены от поверхности не менее чем на 1 мм.

Конкретные ограничения на конструкцию будут зависеть от используемой машины для литья под давлением. Однако Stratasys предлагает использовать формы, изготовленные с помощью их принтеров Material Jetting, для производства деталей максимальным объемом 165 см3 на формовочных машинах мощностью от 50 до 80 тонн или ручных ручных прессах.

Проектирование деталей для литья под давлением

Как и в случае с обычными литьевыми формами, дизайнер должен учитывать:

• Добавление угла уклона минимум 20 градусов для облегчения извлечения детали из формы.
• Поддержание одинаковой толщины стенок по всей детали.
• Все стены и элементы должны быть максимально тонкими.
• Включая радиусы всех краев и углов.
• Включение тонких ребер и косынок для повышения прочности детали, а не для увеличения толщины стенок.

Конструкция угла уклона для литья под давлением

Узнайте больше о важности углов уклона в этой статье →

Уменьшение количества Flash

Flash — это название материала, который выходит между двумя половинками формы во время процесса впрыска. Обычно это происходит, когда две половины формы не идеально соприкасаются друг с другом, не идеально ровные и плоские или форма переполнена. В конструкции пресс-формы используются полозья, которые помогают снизить вероятность вспышки.

При проектировании алюминиевой рамы добавьте 0,125 мм дополнительной толщины к задней части пластин формы, чтобы учесть силы сжатия и обеспечить полную герметичность. Увеличение силы зажима в тисках также может помочь уменьшить заусенец, а также полировать плоскость разделения форм, чтобы сделать ее поверхность максимально плоской.

Хорошая конструкция формы и плоская поверхность формы снижают вероятность образования заусенцев.

(изображение предоставлено Formlabs)

Высвобождение соединения

Из-за относительно хрупкой природы материалов, используемых в 3D-печатных литьевых формах, по сравнению с традиционными формами, применение чрезмерной силы для извлечения детали из формы может привести к быстрому разрушению формы. Нанесение разделительного состава на поверхности полости формы перед этапом впрыска может значительно помочь при удалении детали.

Пример:пластиковый фитинг двигателя

В этом тематическом исследовании будет сравниваться изготовление индивидуального пластикового фитинга для корпуса двигателя. Требования к дизайну:

• Общее количество частей — 25.
• Для обеспечения плотной посадки необходима высокая точность размеров.
• Вес детали — 0,005 кг (5 грамм).
• Деталь должна быть изготовлена из АБС-пластика.
• Деталь должна быть черного цвета.
• Общий диаметр детали 40 мм.

Вот доступные альтернативные варианты изготовления:

Промышленная 3D-печать FDM ABS: Промышленная 3D-печать FDM имеет высокую повторяемость и позволяет производить детали с высокой точностью размеров, а также печатать детали небольшими и средними партиями. Стоимость нити ABS, используемой в промышленных системах FDM, обычно составляет около 90–110 долларов за кг. Основным ограничением для любой детали, изготовленной с помощью 3D-печати FDM, являются ее анизотропные механические характеристики:детали значительно слабее в одном направлении. Это означает, что дизайнер должен хорошо понимать нагрузки, которым будет подвергаться деталь, и ориентацию модели на платформе печати.

Литье деталей из ABS с помощью 3D-печатных форм SLA: Высокотемпературные смолы SLA позволяют изготавливать функциональные литьевые формы с высоким уровнем точности, которые лучше всего подходят для мелкосерийного производства. Смолы SLA продаются по цене около 150–170 долларов за литр. Для расчетов в этом примере использовалась настольная машина для литья под давлением, в которой 3D-печатные формы были вставлены в алюминиевые опорные рамы. Для формования детали используются гранулы АБС, стоимость которых составляет примерно 2–3 доллара США.

Традиционная деталь из АБС-пластика, отлитая под давлением: Традиционные детали, отлитые под давлением, имеют очень высокий уровень точности, отличное качество поверхности и очень высокий уровень повторяемости. Основными недостатками традиционного литья под давлением являются высокие первоначальные затраты на установку и ряд конструктивных ограничений, налагаемых при проектировании отлитой детали (углы уклона, постоянная толщина стенок и т. д.). Стоимость гранул АБС такая же, как указано выше.

Сводная стоимость (на основе онлайн-котировок) изготовления фитинга ABS с использованием технологий, описанных выше, представлена в таблице ниже. Все цены не включают доставку.

Промышленный FDM* 3DP IM* Традиционный обмен мгновенными сообщениями*** Стоимость формы Н/Д $70,85 $1660,72 Стоимость за деталь 3,69 доллара США 0,05 доллара США 1,89 доллара США Общая стоимость 92,25 долл. США 72,10 долл. США 1711,48 долл. США Срок выполнения 4 дня 2 дня 8 дней * Цитата взята с сайта Protolabs Network.com, ABS, 20% заполнение, напечатано на принтере Fortus 250MC** Цитата взята с сайта Protolabs Network.com с использованием смолы Formlabs High Temp, напечатанной на принтере Form2*** Цитата взята с сайта Protolabs

Дальнейшие шаги:как производить детали методом литья под давлением

Является ли малосерийное литье под давлением с использованием форм, напечатанных на 3D-принтере, лучшим решением для вашего применения? Тогда у вас есть два пути продвижения проекта:

Если у вас есть доступ к термопластавтомату и ноу-хау для проектирования формы, тогда напечатайте форму на 3D-принтере. вариант из термостойкого материала. Статью, в которой обсуждаются преимущества и недостатки двух наиболее часто используемых материалов для 3D-печати для изготовления малотиражных литьевых форм, можно найти здесь.

В противном случае вы можете поручить производство профессионалам. производитель литья под давлением. Сеть Protolabs предлагает доступ к глобальной сети поставщиков услуг в области литья под давлением, которые могут спроектировать форму для вашей детали и произвести объемы от 100 до 10 000+ единиц.

Нужна консультация по вашему проекту литья под давлением?

Поговорите с экспертом