Инновации в литье: ускорение разработки продукта с помощью 3D-печати

Как литейные цеха используют 3D-принтеры для быстрого проектирования продуктов

Разработка продукта — это увлекательный процесс открытий. Инвестиции в новые продукты демонстрируют приверженность компании потребностям клиентов. НИОКР может занимать много времени: итерации построения и корректировки моделей и прототипов. Нужен czas, чтобы узнать, что работает — а что нет. 3D-печать — очень полезный инструмент для ускорения проектирования многих изготавливаемых товаров, включая металлические изделия.

Зачем нужен прототипирование?

Прототипирование — важнейший этап производства продукта, заполняющий значительную брешь между теоретическим дизайном и конечным рабочим продуктом. Оно даёт дизайнерам возможность работать с реальными моделями и учиться на них. Оно позволяет тестировать и пробовать новые идеи с целью улучшения и доводки до конечного продукта.

При проектировании нового продукта форму и функцию можно тестировать на разных стадиях. Некоторые прототипы создаются только для оценки размеров и внешнего вида. Другие проектируются для тестирования конкретных характеристик функциональности и посадки.

Что нужно знать о быстром прототипировании

Существует несколько стандартных типов прототипов. Традиционно самые базовые прототипы — макеты из бумаги, дерева или пены, созданные мастерами по чертежам или цифровым дизайнам. Дальнейшие стадии прототипирования могут быть выполнены с возрастающей сложностью в процессе дизайна. Перед запуском серийного производства заводы делают пробный запуск, создавая производственный прототип для оценки качества продукта и оценки процесса на заводе.

Быстрые прототипы повышают полезность и эффективность многих первых стадий прототипирования. Поскольку макеты традиционно делали мастера, а производственные прототипы обычно требовали специнструмента, прототипирование было медленным и дорогим. Возможность печатать и корректировать прототипы на лету может существенно сократить эти итеративные стадии дизайна. В некоторых случаях пластиковый прототип может помочь оптимизировать производственный процесс. Литейные методы в частности часто требуют модели и/или штампа, что может быть дорого — и оправдано только при массовом производстве, генерирующем возврат инвестиций — а создание макетов модели на 3D-принтере позволяет дизайнеру выявить проблемы до перехода к более крупномасштабным деревянным или металлическим моделям.

Конечно, эти прототипы — не производственные прототипы. Замена пластика на металл на этом этапе означает, что некоторые металлические свойства нельзя проверить. Напечатать столб в натуральную величину из пластика на 3D-принтере также, на уровне стоимости единицы, гораздо дороже, чем отлить его. Однако печать моделей в масштабе даёт дизайнерам что-то, что они могут изучить и манипулировать, а любые изменения, вытекающие из этого, требуют не более чем правки цифрового CAD-файла и быстрой перепечатки.

Многие прототипы также производятся в меньших масштабах и/или с меньшей детализацией, чем конечный продукт. Хотя они представляют только часть или аспект финального дизайна, они всё ещё могут быть ценны для принятия решений на ранней стадии проектирования — а не позже, когда уточнение становится дороже.

Быстрое прототипирование с 3D-принтерами

Быстрое прототипирование через 3D-печать использует технологии аддитивного производства. Цифровые дизайны или CAD-модели обычно «нарезаются» компьютерным алгоритмом на множество микроскопических горизонтальных слоёв, которые затем печатаются по одному.

3D-печать существует в различных формах с 70-х и 80-х годов, но только недавно она эволюционировала до коммерчески полезного масштаба. Несмотря на ограничения, технология развивается стремительно. Самые передовые 3D-принтеры могут печатать из нескольких материалов с разными свойствами и цветами. Принтеры с прямым металлическим лазерным спеканием (DMLS) могут даже печатать металлические изделия.

Ограничения по размеру и качество поверхности 3D-печатных прототипов значительно улучшились за годы, делая их особенно полезными для дизайнеров при итерациях начальных стадий разработки.

Создание металлических деталей с помощью 3D-печати

Будут ли DMLS-принтеры вызывать вызов металлургической литьё или обработке металлов? 3D-индустрия динамична, новые разработки анонсируются почти ежедневно. Крупномасштабные проекты, как 3D-напечатанный мост MX3D в Амстердаме, показывают большой потенциал даже в структурном производстве. Однако эта форма печати не конкурирует с традиционным металлургическим производством. Даже с этими разработками, 3D-печать более вероятно усилит, а не заменит традиционное металлургическое производство в крупномасштабе в ближайшие несколько десятилетий — даже Амстердамский мост закреплён традиционной сырой сталью, обеспечивающей поддержку на настил.

3D-металлическая печать, конечно, не литьё и слоистое наложение расплавленного металла. Современные технологии печатают металл, включивая металлический порошок в неметаллическую матрицу, которая нагревается и выдавливается в форму. В некоторых процессах (хотя не для указанного моста) металл затем нагревают, чтобы матрица испарилась.

Такой напечатанный металл может обеспечивать большую прочность, чем пластик, но не может предложить широкий спектр возможных сплавов, доступных в традиционном литейном цехе. Невероятно высокое тепло и контролируемые условия охлаждения, необходимые для многих специфических марок стали и чугуна, означают, что работа над достижением одной марки против другой — это тонкий баланс температуры и давления. Кроме того, металлическое напряжение может возникнуть, если одна часть отливки остывает быстрее другой — и его нужно контролировать в месте соединения. 3D-печать строит объект посредством последовательного наложения слоёв: даже если бы это было возможно с традиционной близко к расплаву сталью, необходимой для некоторых ферристых сплавов, напряжения, вызванные разными уровнями охлаждения, фундаментально изменили бы свойства металла по сравнению с цельной отливкой.

Тем не менее, материал, печатаемый металлическими принтерами, ближе к стали, чем пластик. Вдохновляюще, для литейного цеха, эта технология металлической печати может когда-нибудь позволить функциональное тестирование быстрого прототипа. Может быть, металлическую деталь можно будет дешево напечатать, подвергнуть относительной нагрузке, а затем скорректировать через производственный процесс.

Быстрое прототипирование для литейного цеха сегодня

Литейное оборудование и техники улучшались веками обучения и развития. Песочная литьё даёт производителям большой контроль над поведением металла в расплавленном и остывающем состояниях, что меняет механические свойства металла. Металл, обработанный по-разному в процессе литья, может кристаллизоваться в разных формах, каждая из которых может быть обработана для дополнительных свойств. Это объясняет диапазон механических свойств, доступных клиенту через металлическое литьё.

Но изготовление моделей для этих отливок означало трудоёмкое ручное вырезание деревянных моделей для отпечатка в песке. Эти модели должны быть созданы без мест, где металл может «застаиваться» и поэтому остывать медленнее, создавая внутренние напряжения в детали. Они должны быть достаточно гладкими, чтобы извлекаться из песка, в который они впечатываются. Создание напечатанного объекта позволяет дизайнеру и литейному цеху рассмотреть изменения объекта, которые помогут в создании наиболее эффективной, наилучшей формы модели для проекта.

Инвестиционное литьё — универсальный процесс, идеальный для крупносерийного производства — особенно для сложных дизайнов и там, где важно качество поверхности. При инвестиционном литьё обычно делают штамп для производства восковых моделей, которые затем покрывают для формирования керамических форм. Восковые модели легко расплавляются, оставляя формовые полости готовые для расплавленного металла.

Штампы могут быть дорогими в производстве, что значительно увеличивает себестоимость единицы на ранней стадии проектирования. Что многие производители делают — 3D-печатают восковые модели для прототипов — устраняя необходимость в специальных штампах. Дизайнеры могут просматривать свою деталь и работать к финальной версии перед тем, как коммититься к более дорогому инструментарию для длительного серийного производства. Печать моделей также более экономична для малых серий и разовых производств. В инвестиционном литьё 3D-принтеры могут поэтому создавать финальную модель для использования.

Революция быстрого прототипирования

3D-печать — это революция в металлическом литье, даже если она не заменяет традиционное металлургическое производство. Традиционные секторы ограничены только своим воображением, когда рассматривают, как будущее этой быстроразвивающейся технологии может усилить традиционные производственные практики. Экономия на прототипировании позволяет больше правок и изменений, дополнительных итераций перед входом в полноценное серийное производство. Что бы ни пришло дальше в будущем 3D-печати, это определенно будет полезным инструментом для всех дизайнеров, стремящихся создавать лучшие продукты для своих клиентов.