Разорвет ли 3D-печать индустрию инструментов?

Опубликовано 11 ноября 2019 года | WayKen Rapid Manufacturing

Производство продукта не просто включает обработку деталей и их сборку. Процесс требует множества дополнительных задач: разработка упаковки, логистика, и самое главное — разработка и производство инструментов (tooling). Инструменты — общий термин для компонентов, необходимых для успешного производства всех деталей в требуемом объеме и с заданными требованиями. Индустрия инструментов стоит миллиарды долларов предпринимателям по всему миру. Затраты на инструменты могут достигать 50% от общей стоимости продукта. Однако разрабатываются новые технологии для сокращения времени и цены инструментов. 3D-печать доказала свою надежность и перспективность для этой задачи.

За годы технология аддитивного производства, или 3D-печати (аналогия с обычным копированием 2D-изображений на бумаге), зрела. Точность, прочность деталей, качество поверхности и диапазон материалов для аддитивного производства выросли драматически. 5 лет назад напечатанные детали можно было использовать только для макетов и презентаций. Сегодня мы слышим о печатных металлических компонентах, устанавливаемых на двигатели Airbus, космические корабли и автомобили. Значит, 3D-печать стала полезна для инструментов. При таком быстром развитии, возможно, 3D-печать сможет заменить все традиционные процессы производства инструментов во всей индустрии?

Пластиковая 3D-печать для замены мягких инструментов

Мягкие инструменты (soft tooling) — элементы, не требующие высокой долговечности. Частый пример — силиконовые формы для литья пластика. Они изготавливаются из разных отвердевших силиконовых смесей, в то время как жесткие инструменты для литья под давлением делаются из металлических сплавов. Их долговечность ничтожна по сравнению с жесткими инструментами (всего 1–1000 деталей в зависимости от сложности), но цена значительно дешевле. Силиконовые формы идеальны для прототипирования, малого серийного производства и кастомизации. Нужен только мастер-образец и одна или две формовочные полуформы для производства небольшой, но значимой партии деталей. Как аддитивное производство может улучшить и заменить традиционный процесс здесь?

Свяжитесь с WayKen, чтобы узнать больше о быстром прототипировании литьем под давлением.

Улучшения аддитивным производством

Во-первых, 3D-печать уже играет значительную роль в силиконовом литье. Она незаменима для изготовления мастер-модели. 3D-печать превосходна в производстве единичной сложной детали: сложность геометрии почти не влияет на итоговое время и стоимость. Единичная сложная деталь — это определение мастер-модели для литья пластика. После изготовления мастер-детали ее погружают в жидкий силикон, и после застывания получают две половины формы.

Что, если пойти дальше и напечатать сами силиконовые формы? Это устранит необходимость в мастер-детали и ее пост-обработке. Современные 3D-принтеры еще не достигают необходимой чистоты поверхности с нужными материалами, но могут производить экстремально гладкие детали из более мягких полимеров. Кто знает, может быть, через пару лет принтеры смогут достичь той же точности на более сложных материалах? Когда это случится, традиционная индустрия силиконовых инструментов будет в беде.

3D-печать и индустрия литья под давлением

Мы рассмотрели мягкие инструменты. Теперь посмотрим, что 3D-печать может принести в индустрию жестких инструментов. Большая часть этой индустрии — сталевые долговечные кокилли для литья пластика под давлением. Однако жесткие инструменты включают также ковки, приспособления для обработки, измерительные зажимы (или целые специализированные измерительные комплексы для конкретных деталей).

Жесткие инструменты для разных отраслей

Жесткие инструменты чаще всего производятся ЦНЦ-обработкой. Матрицы и приспособления делаются из нержавеющей стали или твердых сплавов, которые могут термически обрабатываться для увеличения ресурса. Такие материалы очень трудно обрабатывать. Поэтому производство жестких инструментов стоит дорого и занимает значительную часть лид-тайма продукта.

Жесткие инструменты обычно изготавливаются как единичные экземпляры или очень малые партии. Обычно у них очень сложная геометрия с внутренними элементами. Именно здесь 3D-печать превосходна. Однако аддитивное производство пока не широко используется для производства кокилл.

Почему мы пока не видим аддитивного производства

Есть несколько причин. Одна — металлическое аддитивное производство еще не обеспечивает точность и чистоту поверхности, достижимые ЦНЦ-обработкой. Нельзя полностью избежать пост-обработки режущими инструментами. Всё это означает, что нельзя избежать пост-обработки, а стоимость пост-обработанных деталей выше. Но главная причина — свойства усталости спеканых деталей еще не 잘 изучены. Значит, долговечность напечатанных деталей не может быть надежно предсказана. После проведения больше испытаний можно установить общие кривые усталости спеканых материалов. Тогда станет возможно использовать аддитивное производство для долговечных компонентов. Кроме того, материалов для спекания металлических деталей не так много, поэтому вариации кокилл ограничены.

Будущее инструментов

Теперь, зная текущие ограничения 3D-печати в металле, посмотрим, что может случиться в будущем, когда они будут преодолены. Если разовьют принтеры, способные делать точные детали из сложных компонентов, темп производства взлетит. Кокилли будут изготавливаться за считанные дни и намного дешевле, чем сегодня. Стоимость обработки одной детали очень высока, тогда как 3D-печать единичной детали на самом деле более рентабельна, чем производство партии. Твердость материала не будет играть роли, так как он локально плавится, а не режется.

И последнее, но не менее важное: аддитивное производство может дать многое в плане внутренних охлаждающих каналов. Сверла и расточки не могут достичь глубоких полостей, что приводит к разным скоростям охлаждения. Аддитивные технологии могут предложить любую сложную форму каналов, эффективную, равномерно распределенную по полости и не увеличивающую стоимость кокилли.

Заключение

Аддитивному производству еще долгий путь, чтобы заменить проверенные традиционные методы создания инструментов. Однако, когда технология созреет и свойства её деталей станут лучше поняты, традиционные методы не смогут конкурировать.