Hoe 3D-geprinte tooling de toekomst van prototyping kan vormgeven

Wanneer we het hebben over de rol van 3D-printen in de productiewereld, denken we vaak na over de manieren waarop additieve productie uiteindelijk traditionele technieken zou kunnen vervangen. Veel ontwikkelaars van AM-hardware brengen hun machines in feite op de markt als een directe vervanging voor zaken als CNC-machines of spuitgietsystemen.

Maar 3D-printen kan ook worden gebruikt als aanvulling op bestaande technologieën zoals CNC-bewerking, spuitgieten, plaatbewerking, extrusie en gieten.

Dat komt omdat AM-systemen — industriële metaaltechnologieën zoals DMLS of kunststoftechnologieën zoals FDM of SLS — kunnen worden gebruikt om 3D-geprinte tooling voor deze processen te maken, waardoor de productie wordt versneld en/of verbeterd om betere resultaten te leveren.

In dit artikel wordt bekeken hoe 3D-geprinte tooling de toekomst van prototyping en productie in kleine volumes vormgeeft. Het bespreekt verschillende soorten 3D-geprinte tooling, waarom 3D-geprinte tooling nuttig is en welke materialen beschikbaar zijn.

Soorten 3D-geprinte tooling

Gereedschap is een overkoepelende term die wordt gebruikt om verschillende bevestigings-, ondersteunings- of vormmechanismen te beschrijven die bij de productie worden gebruikt. Gereedschap voor een onderdeel kan uit een of meerdere componenten bestaan ​​en is meestal gemaakt van een robuust materiaal zoals gereedschapsstaal.

Met 3D-printen kunnen verschillende soorten tooling worden gemaakt. Sommige componenten zijn echter gemakkelijker te maken dan andere, en sommige kunnen alleen worden gefabriceerd met geavanceerde AM-apparatuur.

1. Mallen

Een mal is een soort holle container die gevuld wordt met een materiaal om onderdelen van te maken. Het maken van matrijzen wordt meestal bereikt via machinale bewerking, maar 3D-printen - in combinatie met temperatuurbestendige materialen - wordt een haalbare optie voor bepaalde onderdelen.

Voor bedrukte mallen kan een uitgebreid vlakslijpen of andere oppervlaktebehandeling nodig zijn voordat ze klaar zijn voor gebruik, maar de snelheid waarmee ze kunnen worden gemaakt, wordt een enorme zegen voor prototypingbedrijven.

Volgens het Duitse AM-bedrijf EOS:"Het vermogen om zelfs de meest complexe structuren in hoge kwaliteit en met korte productietijden te produceren, betekent dat 3D-printen … duidelijke voordelen biedt voor het maken van matrijzen."

2. Jigs

Een mal is een op maat gemaakt apparaat voor het vasthouden van werkstukken dat wordt gebruikt om de consistentie van onderdelen tijdens de productie te verbeteren. Het wordt meestal gebruikt om de beweging van een snijgereedschap te begeleiden en te regelen.

3D-printers worden steeds nuttiger voor het vervaardigen van aangepaste items zoals mallen en armaturen, omdat het proces goedkoop is voor eenmalige onderdelen.

Fabrikanten van 3D-printmallen en -armaturen kunnen ook de doorlooptijden drastisch verkorten, vooral als het printen in huis plaatsvindt.

3. Armaturen

Een armatuur is een op maat gemaakt werkstukvasthoudapparaat dat wordt gebruikt om een ​​werkstuk tijdens de fabricage vast te zetten, meestal machinaal. In tegenstelling tot mallen zijn werkstukken meestal uniek voor de onderdelen die worden gemaakt, en niet voor de productieapparatuur.

Jigs en armaturen kunnen 3D-geprint worden in metaal of in technische kunststoffen zoals TPU of met koolstofvezel versterkt nylon.

4. Extrusie sterft

Matrijzen zijn dikke stalen platen met gevormde openingen. Tijdens het extrusieproces wordt een materiaal door de matrijsopening geperst, waardoor een lang onderdeel ontstaat met een doorsnede die overeenkomt met de opening van de matrijs.

Net als matrijzen worden matrijzen meestal vervaardigd in temperatuurbestendige materialen zoals staal, die steeds gemakkelijker te printen zijn met processen zoals DMLS en SLM.

Voordelen van 3D-geprinte tooling

Conforme koelkanalen

Bij processen zoals spuitgieten worden koelkanalen gebruikt om koelmiddel rond een gesmolten materiaal te injecteren, zodat het gelijkmatig afkoelt en hard wordt. Dit helpt kromtrekken en vervormingen in het gegoten onderdeel te voorkomen.

In gewone mallen zijn kanalen meestal rechte lijnen vanwege de moeilijkheid om complexere vormen te bewerken. Maar 3D-printen maakt het mogelijk om conforme koelkanalen te creëren:kanalen die de contouren van het onderdeel volgen, zodat elk gebied van het onderdeel in gelijke mate wordt beïnvloed door de koelvloeistof.

Volgens metaal AM-specialist Desktop Metal, "zijn onderdelen met complexe ontwerpen en interne structuren - zoals conforme koelkanalen voor aangepaste matrijzen - bij uitstek geschikt voor additieve fabricage waarbij fabricagetijd en kosten per onderdeel niet noodzakelijkerwijs afhankelijk zijn van ontwerpcomplexiteit."

Snelle fabricage

3D-printen is een snel proces, met minimale instel- of voorbereidingstijd. Dit zorgt voor een snelle productie van gereedschap — en voor onmiddellijk opnieuw gereedschap als een gereedschap breekt of moet worden gewijzigd.

Hoewel 3D-geprinte tooling nog in de kinderschoenen staat en niet de voorkeur geniet van de meeste fabrikanten (of klanten), wordt het al belangrijk voor rapid prototyping, waarbij doorlooptijdoverwegingen voorrang krijgen op andere factoren.

3D-geprinte tooling zal een grote impact hebben op de toekomst van prototyping, simpelweg omdat het traditionele prototypingprocessen aantoonbaar versnelt.

Betaalbaar en efficiënt

Gereedschap kan erg duur zijn, vooral als er meerdere componenten nodig zijn of als het ontwerp bijzonder ingewikkeld is. 3D-printen kan de gereedschapskosten verlagen, omdat een complex en ingewikkeld ontwerp bijna net zo snel kan worden gemaakt als een eenvoudig ontwerp.

AM is ook efficiënt in materiaalgebruik, omdat er geen afvalmateriaal van een werkstuk hoeft te worden weggesneden.

Uiteindelijk zal elke tijdelijke oplossing die de kosten van een prototypestadium drastisch verlaagt, uiteindelijk een steeds grotere rol spelen in het prototypingproces.

3D-printerfabrikant Markforged zegt dat "fabrikanten in staat zijn om overal 10-50% van hun duurzame gereedschappen in hun proces te 3D-printen", wat een "aanzienlijke waarde vertegenwoordigt wanneer rekening wordt gehouden met het feit dat de gemiddelde kostenbesparing van een 3D-geprint onderdeel versus een bewerkte onderdeel is 80%.”

Kan voor verschillende processen worden gebruikt

3D-geprinte tooling kan worden gebruikt voor verschillende unieke productieprocessen, waaronder:

• Spuitgieten
• Spuitgieten
• Extrusie
• CNC-bewerking
• Vervaardiging van plaatstaal

Beste AM-gereedschapsmaterialen

Gereedschapsstaal

Gereedschapsstaal is hard staal dat geschikt is voor veeleisende productietoepassingen. Vanwege de hardheid duurt het lang om nauwkeurig te bewerken.

Sommige metalen 3D-printtechnologieën kunnen het materiaal echter printen, wat kansen biedt voor 3D-printitems zoals spuitgietmatrijzen. Het industriële AM-bedrijf EOS produceert een reeks 3D-afdrukbare poeders voor gereedschapsstaal, waaronder Maraging-staal en gereedschapsstaal 1.2709.

Inconel

Processen zoals DMLS en SLM kunnen worden gebruikt om gereedschappen van Inconel-nikkellegeringen te printen. Inconel is bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het geschikt is voor een reeks gereedschapstoepassingen, waaronder gieten en extrusie.

Composieten

Composieten zoals met koolstofvezel versterkt nylon of PEEK kunnen dienen als vervanging voor zeer sterke metalen bij het maken van 3D-geprinte gereedschappen zoals mallen en armaturen.

Technische thermoplasten

3D-printbedrijf Stratasys raadt aan om bepaalde mallen en armaturen te maken van hoogwaardige FDM-materialen zoals TPU, versterkt nylon of ASA.

3ERP is een rapid prototyping specialist met jarenlange ervaring in verspanen, additive manufacturing en andere disciplines. Neem contact met ons op voor een gratis offerte.