3D-печать против компрессионного формования:профессиональное руководство по принятию решений

Знакомы ли вы с концепциями аддитивного и субтрактивного производства? Субтрактивный метод предполагает удаление материалов для достижения желаемой формы, тогда как аддитивный означает построение формы из слоев материала. Здесь 3D-печать и компрессионное формование — это два метода аддитивного производства. Однако существует несколько фундаментальных различий между 3D-печатью и компрессионным формованием.

Разница в основном заключается в скорости производства, эффективности, гибкости конструкции, точности и области применения. Кроме того, в этой статье мы рассмотрим нюансы этих двух методов и их сравнение.

Что такое 3D-печать?

Это технология аддитивного производства, которая позволяет создавать точные и сложные функциональные детали или изделия путем укладки и сплавления последовательных слоев материала. Таким образом, 3D-принтер не использует блок материала для управления формой. Вместо этого сопло наносит материал слой за слоем снизу вверх на печатную платформу в соответствии с рисунком срезов загруженного дизайна.

Между тем, шаблон среза относится к отдельным горизонтальным слоям, на которые разделена модель САПР. Каждый срез представляет собой область поперечного сечения модели, по которой принтер наносит слой материала.

Кроме того, вам могут потребоваться разъяснения по некоторым технологиям 3D-печати. Они следуют одному и тому же фундаментальному принципу. Однако они имеют различия в механизме работы, совместимости материалов и возможностях печати. Вот распространенные типы технологий 3D-печати.

Тип Материалы Описание/Работа Плюсы Минусы FDM (Моделирование наплавлением) Термопласты (ABS, PLA, нейлон). Он расплавляет и экструдирует нить материала слой за слоем для достижения окончательной формы. Структурная стабильность, низкая стоимость, различные материалы. Грубая обработка и умеренная точность. SLA (стереолитография) Фотополимерная смола. SLA использует ультрафиолетовый лазер для отверждения фотополимерной смолы в резервуаре, создавая слои. Высокая точность, гладкая отделка и создает подробные модели и прототипы. Ограниченный выбор материала SLS (селективное лазерное спекание) Полимерный порошок (нейлон PA 12, стеклонаполненный нейлон Лазерный луч спекает порошок материала в камере, часто с инертным газом для предотвращения окисления. Возможна сложная геометрия. Длительное время выполнения заказа и шероховатая текстура поверхности. DMLS (прямое лазерное спекание металла). Металлический порошок (различные сплавы, алюминий, медь, никель). DMLA сплавляет частицы металлического порошка слой за слоем с лазер. Печатает сложные и прочные металлические детали. Высокая стоимость и ограниченный выбор материалов.

Преимущества 3D-печати

Производство 3D-печати выгодно для нескольких приложений. Он обеспечивает гибкость дизайна, сокращение сроков выполнения заказов, индивидуальную настройку и т. д. Вот описание типичных преимуществ 3D-печати;

Гибкость и сложность дизайна

Если мы увидим возможные сложности конструкции с компрессионным формованием и 3D-печатью, 3D-принтер создает очень сложную геометрию и контуры. Он также предлагает большую сложность, чем традиционные методы, такие как обработка на токарном станке с ЧПУ или литье под давлением. Он не ограничивает сложные полые секции, подрезы и внутренние решетки, как это делает субтрактивное производство.

Более того, возможности сложных форм напрямую приносят пользу дизайнерам. Они могут создавать более инновационные и сложные конструкции для решения производственных нужд. Кроме того, дизайнерам не нужно учитывать углы уклона, доступ к инструментам, однородность толщины, большую сборку и другие ограничения при создании проектов 3D-печати. Таким образом, это обеспечивает максимальную гибкость дизайна.

Быстрое прототипирование

Скорость производства, высокая точность и экономичность делают 3D-печать надежным вариантом для проектов быстрого прототипирования. Время может занять от нескольких минут до нескольких часов для детали, в зависимости от сложности и материалов 3D-печати. Кроме того, затраты на прототипирование с помощью 3D-печати ниже благодаря нулевым первоначальным затратам на инструменты и простому процессу изменения конструкции.  

Например, вы можете быстро создать прототип и протестировать новую конструкцию дрона с необходимыми корректировками на лету посредством итераций 3D-печати. В то же время при использовании других методов это может занять до нескольких месяцев.

Настройка и персонализация

Процессы 3D-печати включают прямое производство из цифровых файлов и позволяют обрабатывать сложные конструкции. В результате 3D-печать позволяет изготавливать детали и изделия по индивидуальному заказу в соответствии с конкретными потребностями. Если у вас есть индивидуальный дизайн (3D-модель), вы можете воплотить его в физическую реальность с помощью подходящих материалов и печатного оборудования.

Такая настройка очень полезна для медицинских применений. Например, с помощью 3D-печати можно изготовить имплантаты по индивидуальному заказу для пациентов.

Экономичность мелкосерийного производства

Основная причина низкой стоимости 3D-печатных деталей при мелкосерийном производстве заключается в том, что для этого не требуются дорогостоящие производственные установки, такие как формы или инструменты. Между тем, другие подходы, такие как литье под давлением, предполагают значительные первоначальные инвестиции в формы, что приводит к более высокой отливке детали при мелкосерийном или мелкосерийном производстве.

Например, мелкосерийное производство нейлоновых деталей сначала требует литьевой формы для алюминия, которая стоит не менее 10 000 долларов, тогда как для 3D-печати таких затрат нет.

Ограничения 3D-печати

Хотя 3D-печать имеет множество преимуществ, она имеет некоторые ограничения, такие как выбор материала, размер, точность и качество поверхности. Давайте обсудим каждый недостаток индивидуально.

Материальные ограничения

Выбор материала для 3D-печати меньше, чем для других процессов, таких как обработка с ЧПУ. На самом деле, у него еще меньше возможностей в контексте 3D-печати по сравнению с компрессионным формованием. Машины для 3D-печати обычно совместимы с пластиками (ABS, PETG и TPU), фотополимерами, а также некоторыми термореактивными материалами и металлами (сталь, титан и алюминий).

Однако 3D-печать быстро расширила возможности использования материалов за пределы обычных термопластов. Все больше и больше материалов становятся совместимыми благодаря инновациям в области материаловедения и новым технологиям 3D-печати.

Низкая прочность и долговечность

Поскольку 3D-принтеры преобразуют дизайн, добавляя слои материала, конечная деталь снижает механическую прочность. Например, детали FDM расслаиваются или теряют работоспособность под воздействием напряжений в определенных направлениях (обычно по оси Z). Кроме того, детали могут потерять свои первоначальные свойства, такие как твердость или усталостная прочность. По этим причинам детали также становятся менее долговечными.

Чистота поверхности и точность

Детали, полученные в результате 3D-печати, оставляют видимые следы слоев, а иногда и остатки поддерживающего материала. Поэтому требуется постобработка, такая как пескоструйная обработка, удаление заусенцев или даже механическая обработка. Значение Ra для деталей, напечатанных на 3D-принтере, может составлять всего 4 мкм (прибл.).

Кроме того, она менее точна, чем другие популярные производственные технологии. 3D-печать обычно обеспечивает точность ±0,2 мм, тогда как ЧПУ может достигать ±0,005 мм и ~±0,025 мм для резиновых деталей, отлитых под давлением.

Ограничения по размеру

3D-печать имеет ограничения по размеру деталей по сравнению с другими процессами, такими как литье под давлением или лазерная резка. Возможности размеров ограничены объемом сборки и размером стола (камеры печати) 3D-принтеров. Например, 3D-печать позволяет создавать длинные лопасти ветряных турбин из-за ограничений по размеру. Однако возможно создание крупных деталей путем сборки небольших отдельных фрагментов, напечатанных на 3D-принтере.

Что такое компрессионное формование?

Это специализированный процесс формования полимеров, при котором создается желаемая форма путем сжатия материала в закрытой форме. Этот метод производства популярен для получения термореактивных композитов с превосходными свойствами.

Процесс компрессионного формования требует пресс-формы с несколькими полостями, которая точно обеспечивает отрицательную геометрию желаемой формы. При этом форма состоит из двух половин (неподвижной нижней и подвижной верхней). Сначала в нагретую полость формы помещается заранее рассчитанное количество материала, после чего следует нагрев и сжатие формы. Здесь сжатие и нагрев формы заставляют материал течь через полость и заполнять ее.

Однако во время сжатия очень важно установить соответствующее давление, температуру и время отверждения. Затем в отверстии формы обнажается затвердевшая деталь после охлаждения.

Преимущества компрессионного формования

Ниже приведены общепризнанные преимущества компрессионного формования в различных производственных приложениях.

Эффективность производства при больших объёмах

Объем производства — самое ценное преимущество, особенно при сравнении компрессионного формования и 3D-печати. После того как вы изготовите форму, вы сможете повторно использовать ее для производства идентичных деталей в больших объемах, вплоть до нескольких тысяч циклов. Однако срок службы формы зависит от материала формы, абразивности шихты и других факторов.

Такая эффективность крупносерийного производства в долгосрочной перспективе значительно снижает себестоимость детали. С другой стороны, при массовом производстве 3D-печати не происходит снижения затрат на деталь.  

Отличная прочность и долговечность деталей

Вместо послойной структуры формованные детали имеют компактные и сжатые структурные формы. Таким образом, компрессионное формование обеспечивает превосходную прочность детали. Следовательно, вероятность образования пустот низка, что способствует превосходной структурной целостности деталей.

Согласно соответствующим исследованиям, во время испытаний прочность, твердость, прочность на разрыв и эластичность образцов, отлитых под давлением, были выше, чем у деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Хорошее качество поверхности

Этот метод формования позволяет получить детали с хорошей отделкой поверхности. Это связано с тем, что сжатие плотно прилегает материал к поверхностям формы. Точно соответствуют поверхностям формы. Он может достигать значений Ra от 0,1 микрометра (мкм) с тщательно отполированными формами и оптимальными условиями обработки. Между тем, качество поверхности стенки полости имеет решающее значение для гладкости компонентов, полученных прессованием.

Пригодность для крупных деталей

Достижимые размеры деталей при компрессионном формовании зависят от размера пресс-формы. Таким образом, вы можете создавать более крупные детали, разработав подходящую форму и используя тоннаж высокого сжатия. Например, с помощью CM возможна обшивка крыла самолета.

Впоследствии предварительное размещение шихтового материала в форме вместо использования методов впрыска облегчает формование крупных размеров. Причина в том, что сжатие позволяет материалу равномерно распределяться по большой полости формы без ограничений, налагаемых требованиями к потоку и давлению.

Ограничения компрессионного формования

Хотя компрессионное формование предлагает множество преимуществ, оно имеет ограничения в гибкости конструкции, стоимости оснастки, времени производства и высокой точности. Понимание этого ограничения может помочь вам избежать возможных дефектов в готовых отлитых деталях и принять более правильные решения. Вот описание каждого ограничения;

Ограниченная сложность дизайна

Компрессионное формование предпочтительнее для больших и относительно простых конструкций. Здесь ограниченная гибкость конструкции обусловлена главным образом структурой потока материала в сложных полостях пресс-формы. Если конструкции имеют сложные элементы, такие как сильные наклонные углы и мелкие детали на углах, поток материала не сможет точно заполнить эти полости.

Кроме того, ограничение потока материала может также привести к задержке сжатого воздуха, вызывая образование пустот. С другой стороны, благодаря 3D-печати дизайнеры получают большую свободу.

Более высокие затраты на инструменты

Если мы посмотрим на стоимость оснастки для 3D-печати по сравнению с компрессионным формованием, то окажется, что оснастка для пресс-форм значительно выше. Это связано с высокими первоначальными затратами на пресс-форму и другие вспомогательные инструменты. Кроме того, небольшие изменения в конструкции снова требуют значительных инвестиций в пресс-форму. И наоборот, 3D-печать не требует таких дорогостоящих затрат на инструменты.

Увеличенное время цикла

Процесс компрессионного формования обычно имеет более длительный цикл, даже для компрессионного формования по сравнению с литьевым формованием. Он включает в себя предварительный нагрев формы и шихты, предварительную загрузку шихты и относительно более длительное время отверждения, что способствует увеличению времени производства. Впоследствии процесс удаления заусенцев и заусенцев с формованной поверхности после производства также увеличивает время.

Проблемы качества и точности

Наконец, компрессионное формование пластмасс с трудом обеспечивает высокую точность и качество, как и другие передовые технологии производства. Это предварительно из-за менее равномерного потока материала, чем при других методах формования. Далее, другими проблемами качества могут быть усадка и коробление, поскольку все термореактивные и термопластические материалы в некоторой степени сжимаются при охлаждении.

Что касается точности, допуск при компрессионном формовании обычно составляет от ± 0,127 до ± 0,508 мм. Здесь допуск варьируется в зависимости от качества поверхности полости формы, параметров процесса и свойств шихты.

Различия между 3D-печатью и компрессионным формованием

Поняв плюсы и минусы 3D-печати и компрессионного формования, давайте обсудим прямое сравнение этих процессов по различным аспектам.

Выбор материала

Выбор материала является основой конечных свойств и функциональности конечной детали, независимо от метода производства. Таким образом, наличие большего количества вариантов материалов означает больше шансов получить материал, который точно соответствует вашим требованиям.

Тип материала Материалы для 3D-печати Материалы для компрессионного формования Термореактивные пластмассыПочти нет, в очень немногих специализированных сценарияхЭпоксидная смола, фенольная смола, полиэстер, виниловый эфир, меламинТермопластикиABS, PLA, PETG, TPU, нейлон, PEEK, PCПолиэтилен (PE), полипропилен (PP), нейлон (полиамид), поликарбонат (PC), ацеталь (POM)Композитные материалыАрмированный углеродным волокном PLA, армированный стекловолокном Нейлон, PLA с древесным наполнителем, PLA с металлическим наполнителем, нейлон с кевларовым наполнителемПластик, армированный стекловолокном (GFRP), пластик, армированный углеродным волокном (CFRP), листовой формовочный компаунд (SMC), объемный формовочный компаунд (BMC), армированный волокном термореактивный металлТитан, алюминий, инконель, медь, золото, сереброВ очень немногих сценариях

Вы можете найти больше вариантов материалов для 3D-печати, чем для компрессионного формования. Однако вам необходимо учитывать стоимость, ваши требования, технические характеристики конструкции и предполагаемое использование конечных деталей при сравнении материалов, совместимых с обоими методами.

Сравнение затрат для разных масштабов производства

Стоимость 3D-печати по сравнению с компрессионным формованием во многом зависит от объема производства. Высокая стоимость пресс-формы при компрессионном формовании делает ее менее дорогостоящей по мере увеличения объема производства. Между тем, 3D-печать не обеспечивает значительного снижения себестоимости продукции при крупномасштабном производстве.

Масштаб производства 3D-печать Компрессионное формование ПрототипированиеНизкая стоимость (формы не требуются)Высокая стоимость (необходимы формы)Мелкая партияУмеренные затратыВысокие затраты из-за первоначальных инвестиций в пресс-формыСредние объемыВысокие затраты из-за более медленной скорости производстваУмеренные затраты (амортизация стоимости пресс-формы)Большой объемВысокие затратыНизкая стоимость

Далее, затраты увеличиваются при компрессионном формовании со сложными процессами, поскольку для этого требуется более сложная форма и сокращается время цикла. Напротив, стоимость может не увеличиться при использовании сложных проектов 3D-печати. Поскольку использование материала составляет значительную долю общей стоимости, стоимость можно снизить, если для 3D-печати сложных деталей потребуется меньше материала.

Скорость и эффективность производства

3D-печать — менее быстрый процесс, чем формование, за исключением проектов прототипирования. Компрессионное формование занимает гораздо больше времени при создании прототипа из-за особенностей изготовления пресс-форм и оснащения. Однако машины для компрессионного формования сразу после охлаждения формы переходят к следующему циклу. Таким образом, скорость компрессионного формования ограничена лишь при прототипировании и мелкосерийном производстве.

Впоследствии эффективность 3D-печати снижается по мере увеличения объема производства. Однако он очень эффективен для производства сложных компонентов без дополнительных затрат. С другой стороны, компрессионное формование отличается превосходной масштабируемостью. Он может производить тысячи и миллионы одинаковых единиц при относительно низких затратах.

Качество и долговечность готовой продукции

Сначала мы сравним качество компрессионного формования и 3D-печати.  Структурное качество формованных деталей выше, чем у 3D-печатных. Это все из-за процесса их формирования. Подход 3D-принтера к построению слоев снижает структурную прочность детали, в то время как давление во время компрессионного формования делает детали структурно неповрежденными. Следовательно, качество отделки печатной поверхности зависит от метода печати. Например, FDM печатает линии слоев дисплея и требует дальнейшей обработки, а метод SLA обеспечивает более гладкие поверхности. Между тем, компрессионное формование обеспечивает более равномерную и гладкую поверхность.

Кроме того, какие из них более долговечны? Ответ:прессованные. Это происходит из-за однородности материала и воздействия тепла и давления во время отверждения. С другой стороны, слоистые структуры создают уязвимости в продукте 3D-печати.

Гибкость дизайна

Как упоминалось ранее, 3D-печать предлагает большую гибкость дизайна, чем технология компрессионного формования. Изготовление пресс-форм само по себе является сложным процессом, часто механическая обработка не позволяет создавать конструкции со сложной внутренней геометрией. Между тем, 3D-печать не имеет таких ограничений.

Вот список возможностей, которые можно реализовать при 3D-печати, но не при компрессионном формовании.

• Сложные подрезы.
• Глубокие и маленькие карманы.
• Детали с очень разной толщиной стенок.
• Замысловатые узоры на поверхности.
• Острые края и т. д.

Пригодность для различных отраслей и применений

Поскольку компрессионное формование позволяет формовать из резины и эластомеров прочные и долговечные эластичные детали, двумя наиболее распространенными сферами применения являются уплотнения и прокладки. С другой стороны, 3D-печать отлично подходит для прототипирования и индивидуального производства.

Отрасль/Применение Примеры 3D-печати Примеры компрессионного формования Аэрокосмическая промышленность Топливные форсунки для реактивных двигателей, кронштейны для спутниковых компонентов, детали дронов и различные прототипы. Менее популярны ячейки для самолетов. Автомобильная промышленность. Каналы охлаждения, индивидуальные компоненты приборной панели, прототипирование частей тела и внутренние компоненты. Прокладки и уплотнения, резиновые шланги и ремни, а также вибропоглощающие компоненты. Здравоохранение. Индивидуальные хирургические модели, зубные коронки и мосты, индивидуальные протезы конечностей и т. д. Компоненты для долговечного медицинского оборудования, уплотнения для лабораторий. контейнеры, силиконовые маски и многое другое.Потребительские товарыЧехлы для смартфонов, обувь по индивидуальному заказу, игрушки и многое другое.Корпуса для часов и нескользящие ручки для инструментов и спортивного инвентаря, герметичные контейнеры для хранения продуктов питанияЭлектроникаКорпуса по индивидуальному заказу, различные прототипыКнопки и клавиатуры для пультов дистанционного управления, долговечные компоненты наружного освещения, изолирующие кожухи для разъемов

Как сделать правильный выбор между компрессионным формованием и 3D-печатью?

Существует несколько соображений, позволяющих решить, какой метод соответствует вашим требованиям между 3D-печатью и компрессионным формованием. В основном это зависит от объема производства, сложности конструкции, размера детали и стоимости. Например, производство 3D-печати подходит для производства небольших нестандартных деталей в небольших объемах. Напротив, компрессионное формование превосходно подходит для производства крупногабаритных компонентов в больших объемах.

Однако перед принятием правильного решения о выборе 3D-печати или компрессионного формования рекомендуется проконсультироваться с такими лидерами отрасли, как RapidDirct.. Мы находимся в авангарде производственных услуг по требованию, включая услуги литья пластмасс и 3D-печати. Наши передовые производственные мощности по формованию и 3D-печати позволяют нашим инженерам реализовывать ваши уникальные проекты.

• Более 100 вариантов материалов.
• Быстрое создание прототипов для различных отраслевых приложений.
• Быстрое время выполнения.
• Точные, но доступные решения.

Смело начинайте свой проект сегодня!