Hoe kan 3D-printen het metaalgieten ten goede komen? Hier zijn 3 manieren

Metaalgieten is misschien wel een van de oudste productiemethoden die wordt gebruikt om metalen onderdelen te maken, maar het is ook een andere sector die kan profiteren van 3D-printen.

Met de hoge kosten die gemoeid zijn met het produceren van gereedschapshulpmiddelen zoals mallen, kernen en patronen, blijkt 3D-printen nu al een waardevol alternatief te zijn voor de conventionele productie van gereedschap voor metaalgietprocessen. Gieterijen gebruiken daarom steeds vaker 3D-printen in hun workflows om concurrerend te blijven.

Bestaande beperkingen overwinnen

Gieterijen vertrouwen op verschillende metaalgietprocessen, waarbij spuitgieten, zandgieten en investeringsgieten de meest gebruikte zijn. Hoewel metaalgieten een beproefde productiemethode is, zijn er nog steeds bepaalde beperkingen, waaronder:

• Hoge kosten: Het maken van castingtools kan ongelooflijk duur zijn. Dit betekent dat voor kleine en middelgrote productieruns hoge gereedschapskosten vaak niet gemakkelijk kunnen worden afgeschreven.

• Arbeidsintensief: Omdat gereedschappen meestal handmatig worden geproduceerd, kan het arbeidsintensieve proces gemakkelijk leiden tot lange doorlooptijden tot enkele maanden.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden en een concurrentievoordeel te behouden, moeten gieterijen op zoek gaan naar innovatieve manieren om gereedschappen voor het gieten van metaal te produceren - en dat is waar 3D-printen een rol speelt.

Hoe 3D-printen van voordeel kan zijn voor gieterijen en bedrijven die patronen maken

Hoewel 3D-printen geenszins het einde van traditionele gietmethoden betekent, kan de technologie helpen om de kostbare en tijdrovende aspecten van het maken van patronen, kernen en mallen te omzeilen, waardoor meer flexibiliteit en kosteneffectiviteit mogelijk wordt voor lage volume, zeer complexe gietstukken en prototypes.

Hier zijn een paar voorbeelden van hoe 3D-printen kan worden geïntegreerd in het conventionele gietproces:

#1 Maak 3D-geprinte matrijzen

Spuitgieten dateert uit de 19e eeuw en verwijst naar het proces waarbij gesmolten metalen onder hoge druk in vormholten worden gegoten om metalen onderdelen te produceren.

Een van de belangrijkste uitdagingen van spuitgieten is het ontwerp van koelkanalen, die worden gebruikt om oververhitting van de matrijs te voorkomen en het stollingsproces van het gietstuk te regelen.

Bij conventionele productiemethoden worden deze kanalen meestal in rechte lijnen machinaal bewerkt, wat resulteert in een langzamer en niet-uniform koelproces. Als gevolg hiervan kan het gereedschap vervormen en wordt de levensduur aanzienlijk verkort. Bovendien leidt de gedeeltelijk gebrekkige warmteafvoer tot lange afkoeltijden voor de vervaardigde producten.

Deze beperkingen zijn echter niet van toepassing op 3D-printen. Met metalen 3D-printtechnieken zoals DMLS of SLM kunnen gereedschapmakers koelkanalen van elke complexiteit integreren in het ontwerp van een matrijs.

3D-printen voor spuitgieten heeft daarom een ​​aantal voordelen, waaronder:

• Ontwerpflexibiliteit, b.v. complexe geometrieën, interne structuren en holtes
• Een sneller en gelijkmatiger koelproces
• De langere levensduur van een gereedschap
• Verhoogde prestaties

#2 Overweeg 3D-printen voor investeringsgietpatronen

Investeringsgieten maakt gebruik van vervangbare waspatronen en keramische schalen om complexe en gedetailleerde onderdeelontwerpen te creëren. Traditioneel worden deze patronen spuitgegoten. De kosten van spuitgietmatrijzen kunnen echter variëren van $ 3.000 tot $ 30,00, met doorlooptijden van één tot vier weken. Dit maakt het maken van een mal economisch onhaalbaar voor kleine serieproductie of eenmalige producten.

Om deze reden kunnen gieterijen en patroonmakers ervoor kiezen om patronen in 3D te printen in een materiaal dat geschikt is voor investeringsgieten. Stereolithografie kan bijvoorbeeld worden gebruikt om patronen te maken met behulp van een UV-laser die dunne harslagen uithardt.

Het gebruik van 3D-printen voor het gieten van investeringen kan helpen om:

• Verkort de levertijd van weken naar dagen
• Elimineren van hoge gereedschapskosten
• Geef ontwerpers meer vrijheid bij het maken van zeer complexe patronen

Veel fabrikanten van 3D-printers hebben speciaal voor gieten 3D-afdrukbare materialen ontwikkeld, waaronder was, gietbare harsen en sommige thermoplasten, op basis van PLA en ABS.

Deze materialen worden doorgaans gebruikt met stereolithografie (harsen) en FDM (kunststoffen) technologieën, waardoor zeer nauwkeurige patronen met uitstekende burnout-eigenschappen worden gecreëerd.

#3 3D-printen van zandvormen en kernen

Zandgieten is een andere metaalvormende techniek die wordt getransformeerd door 3D-printen.

Typisch omvat een zandgietproces het maken van een object van gesmolten metaal met behulp van zand als mal. De vormholtes worden gecreëerd door zand met de hand rond een ontwerppatroon te verpakken. Het gietontwerp vereist vaak dat er kernen in de mal worden geplaatst om de binnencontouren van het gietstuk te creëren.

3D-printen kan dit proces vereenvoudigen door zandvormen en kernen rechtstreeks uit CAD-bestanden te maken, waarbij de stappen voor het maken van patronen en kernen worden omzeild.

Net als 3D-printpatronen voor investeringsgieten, is het 3D-printen van zandvormen en kernen een geautomatiseerd proces zonder gereedschap. Dit betekent dat de gereedschaps- en arbeidskosten die de prijzen voor het gieten van metaal opdrijven, worden geëlimineerd.

Zandvormen en -kernen worden typisch 3D-geprint met behulp van Binder Jetting-technologie, die werkt door selectief een bindmiddel af te zetten om zand laag voor laag te lijmen.

Op deze manier biedt 3D-printen een snelle en efficiënte methode voor productie in kleine volumes. Momenteel kunnen Binder Jetting-systemen voor 3D-printen met zand grote volumes tot 4.000 x 2.000 x 1.000 mm bereiken en grootschalige zandkernen en mallen produceren. Bovendien zijn 3D-geprinte zandgietmatrijzen sterk genoeg om de ruwe omgeving van metaalgieten te weerstaan.

Andere voordelen van 3D-printen voor zandvormen en kernen zijn:

• Kortere productietijden
• Grotere ontwerpvrijheid om geometrisch complexe gietstukken te maken (waarvoor patronen en/of kerndozen nodig zijn)
• De mogelijkheid om complexe, uit meerdere delen bestaande kernen (zoals een waaier voor een pomp) als een enkele behuizing te printen, waardoor het niet meer nodig is om afzonderlijke componenten te monteren

Hoe bedrijven 3D-printen gebruiken voor metaalgieten

Terwijl het direct 3D-printen van metalen gereedschappen zoals matrijzen nog in de kinderschoenen staat, worden 3D-geprinte investeringsgietpatronen en zandkernen en mallen al veel gebruikt en winnen ze aan meer grip.

Beleggingsgietpatronen

3D-geprinte investeringsgietpatronen worden bijvoorbeeld steeds vaker gebruikt om op maat gemaakte sieraden met ingewikkelde ontwerpen en gepersonaliseerde tandheelkundige producten te maken en kortere doorlooptijden te ervaren. Zo kon het Canadese sieradenbedrijf Vowsmith, dat gespecialiseerd is in op maat gemaakte ringen, zijn productie- en levertijden met 50% verkorten door de 3D-waxprinters van 3D Systems in zijn workflow te integreren. In een enkele print produceerde het bedrijf tussen de 35 en 40 gepersonaliseerde ringpatronen, klaar om te gieten.

Zandgieten

Als het gaat om zandgieten, installeren steeds meer bedrijven in de gieterijsector 3D-zandprinters om geld te besparen op tooling voor kleine batchproducties en om snellere doorlooptijden te behalen. Hazleton Casting Company gebruikt bijvoorbeeld een gerobotiseerd 3D-printsysteem voor zand naast zijn traditionele gieterijactiviteiten om op maat gemaakte, geometrisch complexe zandkernen en mallen op aanvraag te produceren. Voor complexe kernontwerpen zorgt 3D-printen voor kostenbesparingen tot 50% door af te zien van toolingproductie.

Verouderde tools

Eerder dit jaar investeerde Danko Arlington, een gieterij die gespecialiseerd is in het maken van patronen en zandgieten, in een groot 3D-printsysteem voor zand, dat voornamelijk wordt gebruikt om verouderde gereedschappen, die moeilijk en duur te verkrijgen zijn, te vervangen door zandkernen en mallen rechtstreeks in 3D te printen.

Hydraulische ventielkernen

Een ander voorbeeld is het in de VS gevestigde Prospect Foundry, dat heeft gekozen voor 3D-printen met zand voor de uitdagende taak om complexe hydraulische klepkernen te maken. In het verleden, toen de complexiteit van de kernen de productie verbood, moest de gieterij dit soort klussen afwijzen. Met 3D-printen was het bedrijf echter niet alleen in staat om de bestelling uit te voeren, maar behaalde het ook een zeer laag uitvalpercentage.

3D-printen:een complementaire technologie voor metaalgieten

In tegenstelling tot de overtuiging dat 3D-printen gietprocessen kan vervangen, is het realistischer om het te zien als een krachtige aanvulling op bestaande methoden, variërend van spuitgieten tot investeringsgieten en zandgieten. De voordelen zijn duidelijk:geen CNC-frezen of ander gereedschap nodig dat de kosten kan verhogen.

3D-printen is ideaal voor zeer complexe giettaken met een klein volume, waardoor meer ontwerpvrijheid en kosteneffectiviteit bij de productie van patronen en mallen mogelijk zijn.

Dat gezegd hebbende, is het belangrijk op te merken dat, hoewel 3D-printen niet het antwoord is op elk probleem met gietgereedschappen, het uitdagende taken mogelijk maakt die voorheen niet mogelijk waren.

Nu 3D-printen – en met name 3D-printen van metaal – een snelle groei doormaakt, is het van vitaal belang dat gieterijen blijven moderniseren met 3D-printen. Dit zal helpen de beperkingen van bestaande methoden te overwinnen en concurrerend te blijven in het steeds veranderende productielandschap.