От аддитивного производства к литью под давлением: бесшовный переход к серийному производству

Точность и повторяемость промышленной 3D-печати сделали аддитивное производство эффективным и точным процессом для функционального прототипирования. В то же время литье пластиков под давлением давно является надежным, экономически и временно эффективным способом производства деталей для крупных серий — от десятков тысяч штук и более.

В результате инженеры, конструкторы и разработчики продуктов обнаружили, что эти два процесса отлично дополняют друг друга в жизненном цикле продукта: начиная с снижения рисков проектирования через 3D-печать прототипов, а затем переходя к литью под давлению для набора объемов производства. Для миллионов конструкций деталей на مر السنين это было проверенным сочетанием.

В Protolabs примеры такого подхода встречаются во многих отраслях, включая авиацию, оборону и медработу.

Стоит отметить, что существует несколько процессов 3D-печати, способных создавать полностью функциональные серийные детали. Прямая лазерная спекция металла (DMLS), например, использует ряд металлов для производства готовых к использованию деталей. Селективная лазерная спекция (SLS) на основе нейлона создает высокопрочные готовые детали. Multi Jet Fusion также применяется для серийного производства нейлоновых деталей.

Тем не менее, переход от 3D-печатных прототипов к литью под давлением остается популярным вариантом, главным образом потому, что литье более эффективно по затратам и времени для производства больших объемов.

При выборе этого пути необходимо учитывать ряд уникальных проектных соображений. Эта статья предлагает рекомендации для успешного перехода:

• Определение детали перед её проектированием
• Использование множественных прототипов
• Особенности проектирования для литья
• Выбор материалов
• Оптимизация затрат и сроков

Снижение рисков проектирования: определение детали перед её проектированием

Прототипирование с помощью 3D-печати или аддитивного производства — это прежде всего снижение рисков проектирования: анализ улучшений конструкции, выявление потенциальных рисков формы, посадки и функции, испытание различных концепций и учет технологичности детали, чтобы не загнать себя в тупик. В 3D-печати мало правил или ограничений, создающих проблемы при создании детали. Но проектирование литой детали — совсем другая история. Функция влияет на форму для любого типа детали, но для пластиковых деталей она также влияет на отделку и даже на конструкцию формы.

Именно здесь наша автоматизированная платформа цифрового котирования вступает в игру. Этот анализ особенно важен, если вы планируете литье или производство в больших объемах за пределами этапа прототипирования. Для 3D-печатных деталей вы получаете мгновенное котирование с интерактивным ценообразованием на основе материала, разрешения и отделки. Плюс, вы всегда можете получить обратную связь по дизайну от наших внутренних инженеров по аддитивному производству. Для литых деталей — интерактивное онлайн-котирование за часы, анализ DFM и ценообразование в реальном времени в зависимости от количества, отделки и сроков.

Вернемся к примерам снижения рисков. В автомобильной промышленности деталь, работающая как компонент двигателя внедорожника, должна выдерживать высокие температуры и влажность. Это определяет ключевые решения: выбор материала и производственного метода. Может потребоваться SLS — процесс 3D-печати для функциональных деталей, или же литье/обработка. Допустим, медработная компания прототипирует новый ручной хирургический инструмент. 3D-печатный прототип отлично подойдет для демонстраций и тестов утилитарности в клинике.

На этом раннем этапе лучший совет — использовать надежные принципы проектирования для определения детали перед тем, как её проектировать. Что ведет к следующему разделу: роль итеративных или множественных прототипов.

Множественное прототипирование помогает определить производственный метод

Как упоминалось, в аддитивном производстве мало правил или ограничений. Это и благо, и проклятие. Особенно когда конструкторы хотят перевести напечатанный прототип в литые детали или другой производственный метод. Почему? Литье «не любит» толстые перекрестные сечения, нависающие элементы, поток вокруг сердечника и сшивку, сложную геометрию, внутренние каналы или полости, органические геометрии и так далее. То есть, то, что можно напечатать на 3D-принтере, не обязательно можно отлить.

В результате перекрестное котирование — котирование по нескольким процессам параллельно — вместе с итеративным прототипированием становится полезным процессом проверки дизайна. Это помогает понять, будет ли деталь функциональной, и как её успешно перевести на следующий этап — метод, позволяющий более высокие объемы: литье, литье в формы, механическая обработка, штамповка листового металла или другой процесс. Множественное прототипирование также помогает оценить цену и сроки.

В случае литья под давлением вы столкнетесь с большими ограничениями на то, что можно отлить, потому что если форму нельзя изготовить, деталь нельзя произвести. Для литья потребуется множество технологий и элементов (см. следующий раздел «Особенности проектирования для литья»).

Пример из авиапромышленности — квадрокоптер Lockheed Martin (см. фото). Инженер Мигель Перес работал с системой автокотирования и DFM-анализа Protolabs, которая провела его через различные итерации детали и в конечном итоге привела к переходу от 3D-печати к прототипированию и малосерийному производству литьем под давлением.

Он загружал неизмененную модель в систему котирования и получал обратную связь: как могут работать половинки формы, предлагаемые боковые выдвижки, особенности, которые нельзя отлить. Перес вносил изменения, превращая 3D-печатную деталь в несколько литьевых интерфейсных деталей, сохраняющих замысел дизайна. Затем повторно загружал модифицированные детали и получал еще более детальную обратную связь, например, где упущен необходимый уклон в нужных направлениях.

Пример из медработы — верификационное тестирование 3D-печати для детали типа люер-лок, которая навивется на шприц. Есть способы литья таких локов для экономии, но дизайны сначала валидируются 3D-печатью, проверяя, достаточно ли плотно затягивается для герметичности, перед тем как считать их готовыми к литью.

В конечном счете, в зависимости от проектируемой детали, тестирование и множественные прототипы помогают проверить работоспособность и набрать уверенность перед переходом к литью.

Особенности проектирования для литья

Для перехода от печатных прототипов к литым деталям следует рассмотреть и применить ряд методов проектирования форм. Два главных — равномерная толщина стенок и уклон, но есть и другие. Краткий обзор:

Равномерная толщина стенок. Поддержание равномерной толщины — самое важное требование для получения качественных литых деталей. Это позволяет расплавленному пластику заполнять форму равномерно, избегая деформации, усадки, тонких линий сшивки и других дефектов.

Уклон. Добавление уклона или наклона к вертикальным стенкам облегчает извлечение детали из формы. Основное правило: 1 градус уклона на дюйм глубины полости формы.

Скругления. Используйте скругления или радиусы углов для улучшения течения пластика в форму и целостности детали. Острые углы повышают напряжение и препятствуют течению расплава.

Ребра, гусетки, рампы. Включение ребер и поддерживающих гусеток повышает прочность конструкционных деталей и устраняет деформацию, усадку и пустоты. Ребра должны составлять 40–60% толщины прилегающей стенки. Рампы вместо резких ступеней снижают напряжение при переходах между толстыми и тонкими участками.

Боссы (усадки). Проектирование более тонкой стенки на боссе или крепежном элементе, принимающем винт, устраняет усадку и пустоты.

Для подробностей о правилах проектирования для литья под давлением, включая размеры деталей и рекомендации по материалам, ознакомьтесь с нашими руководствами: руководство по проектированию пластиковых деталей для литья под давлением (макс. размеры, распространенные пластики, отделка поверхностей, подбор цвета, вторичная обработка); руководство по LSR; руководство по овермолдингу и вставному литью.

Материальные соображения для литья под давлением

Две широкие категории пластиков — термопласты и термореактивные пластики (например, LSR). Выбор материала основан на множестве факторов: механические, физические, тепловые и электрические свойства; технологичность — характеристики смол (сырья), включая устойчивость к деформации при охлаждении и способность заполнять мелкие детали формы; косметическая внешность (если важна для функции); стоимость материала; специальные требования (FDA, UL и т.д.).

Оптимизация затрат и сроков

Общие затраты и бюджеты, а также сроки и дедлайны — ключевые соображения. Иногда кажется, что стоимость — главный фактор. Однако использование более доступных производственных методов, таких как литье, позволяет контролировать затраты.

Сжигающие дедлайны также могут казаться решающим. Но благодаря цифровым производственным методам, ускоряющим разработку продукта, прототипирование и производство деталей можно драматически сократить.

Гас Бреланд — старший технический инженер Protolabs в Миннесоте.

Эрик Атли — инженер по приложениям Protolabs в Северной Каролине.