Foundry Trend Spotting:Rapid Prototyping met 3D Printing

Hoe gieterijen 3D-printers gebruiken voor snel productontwerp

Productontwikkeling is een spannend ontdekkingsproces. Investeren in nieuwe producten toont de toewijding van een bedrijf aan de behoeften van zijn klanten. Onderzoek en ontwikkeling kan lang duren, iteraties van het bouwen en aanpassen van modellen en prototypes. Het kost tijd om te leren wat werkt - en wat niet. 3D-printen is een zeer nuttig hulpmiddel om het ontwerp van veel gefabriceerde goederen, waaronder metalen producten, te versnellen.

Waarom een ​​prototype?

Prototyping is een essentiële fase in de productproductie en overbrugt de aanzienlijke kloof tussen theoretisch ontwerp en het uiteindelijke werkende product. Het geeft productontwerpers de mogelijkheid om te werken met en te leren van modellen uit de echte wereld. Het stelt hen in staat om nieuwe ideeën te testen en uit te proberen, met als doel verbetering en verfijning tot een eindproduct.

Bij het ontwerpen van een nieuw product kunnen vorm en functie in verschillende fasen worden getest. Sommige prototypes worden uitsluitend geproduceerd om de grootte en het uiterlijk te onderzoeken. Andere kunnen worden ontworpen om specifieke kenmerken te testen op functie en pasvorm.

Wat u moet weten over rapid prototyping

Er zijn verschillende standaard prototypes. Traditioneel zijn de meest elementaire prototypes mockups van papier, hout of schuim die door ambachtslieden zijn gemaakt op basis van tekeningen of digitale ontwerpen. Tijdens het ontwerpproces kunnen verdere prototypingstadia worden gemaakt, van voortdurende complexiteit. Voordat een productierun wordt gelanceerd, doen fabrieken een testrun, waarbij een productieprototype wordt gemaakt om de kwaliteit van het product te evalueren en het proces in de fabriek te beoordelen.

Snelle prototypes bevorderen het nut en de efficiëntie van veel van de eerste prototypestadia. Omdat ambachtslieden van oudsher mockups hebben gemaakt en productieprototypes meestal aangepaste gereedschappen nodig hadden, was het maken van prototypes over het algemeen traag en kostbaar. Door prototypes on-the-fly te kunnen printen en aanpassen, kunnen deze iteratieve ontwerpfasen aanzienlijk worden verkort. In sommige gevallen kan een kunststof prototype worden gebruikt om het productieproces te stroomlijnen. Met name gietmethoden vereisen vaak het gebruik van een patroon en/of matrijs, wat duur kan zijn - en alleen te rechtvaardigen wanneer grootschalige productie rendement op de investering oplevert - en het maken van patroonmodellen op een 3D-printer kan een ontwerper in staat stellen om problemen op te lossen voordat u naar grotere schaal hout of metaal gaat.

Uiteraard zijn deze prototypes geen productieprototypes. Het vervangen van metaal door plastic in deze periode betekent dat er bepaalde metaaleigenschappen zijn die niet kunnen worden gecontroleerd. Een bolder op ware grootte printen in plastic op een 3D-printer is ook, per eenheidsniveau, veel duurder dan er een te gieten. Het afdrukken van modellen op schaal geeft ontwerpers echter iets dat ze kunnen onderzoeken en manipuleren, en eventuele wijzigingen die hieruit voortvloeien vereisen niets meer dan een aanpassing aan het digitale CAD-bestand en een snelle herdruk.

Veel prototypes worden ook op kleinere schaal en/of met minder detail geproduceerd dan het eindproduct. Hoewel ze slechts een deel of aspect van het uiteindelijke ontwerp vertegenwoordigen, kunnen ze toch waardevol zijn bij het nemen van beslissingen vroeg in de ontwerpfase, in plaats van later wanneer het duurder wordt om te verfijnen.

Snel prototypen met 3D-printers

Rapid prototyping door middel van 3D-printen maakt gebruik van additieve fabricagetechnologieën. Digitale ontwerpen, of CAD-modellen, worden doorgaans door het computeralgoritme in vele minuscule horizontale lagen 'gesneden', die vervolgens één voor één worden afgedrukt.

3D-printen bestaat al sinds de jaren 70 en 80 in verschillende vormen, maar is pas recentelijk geëvolueerd om op commerciële schaal bruikbaar te zijn. Hoewel er beperkingen zijn, evolueert de technologie snel. De meest geavanceerde 3D-printers kunnen meerdere materialen printen met verschillende eigenschappen en kleuren. Direct metal laser sintering (DMLS) printers kunnen zelfs metalen producten printen.

Groottebeperkingen en de oppervlaktekwaliteit van 3D-geprinte prototypes zijn in de loop der jaren ook sterk verbeterd, waardoor ze vooral nuttig zijn voor ontwerpers die de eerste ontwikkelingsfasen doorlopen.

Metalen onderdelen maken met 3D-printen

Zullen DMLS-printers de metaalgiet- of bewerkingsindustrie uitdagen? De 3D-industrie is dynamisch en er worden bijna elke dag nieuwe ontwikkelingen aangekondigd. Grootschalige projecten, zoals de 3D-geprinte brug van MX3D in Amsterdam, laten zien dat er veel potentieel is in zelfs structurele fabricage. Toch concurreert deze vorm van drukken niet met de traditionele metaalproductie. Zelfs met deze ontwikkelingen is het waarschijnlijker dat 3D-printen de traditionele metaalproductie op grote schaal in de komende decennia zal verbeteren in plaats van vervangen - zelfs de Amsterdamse brug is beveiligd met traditioneel onbewerkt staal dat ondersteuning biedt op het dek.

3D-metaalprinten is over het algemeen niet het gieten en in lagen aanbrengen van gesmolten metalen, natuurlijk. De technologieën van vandaag printen metaal door een metaalpoeder op te nemen in een niet-metalen matrix die wordt verwarmd en in vorm wordt geleid. Bij sommige processen (hoewel niet voor de brug erboven) wordt het metaal dan verhit zodat de matrix verdampt.

Dit bedrukte metaal biedt misschien meer sterkte dan plastic, maar biedt niet het brede scala aan mogelijke legeringen die beschikbaar zijn in een traditionele gieterij. De ongelooflijk hoge hitte en gecontroleerde koelomstandigheden die nodig zijn voor veel specifieke staal- en ijzersoorten, betekenen dat het werken om de ene soort versus de andere te bereiken een lastig evenwicht is tussen temperatuur en druk. Verder kan metaalspanning worden veroorzaakt als een deel van een gietstuk sneller afkoelt dan het andere - en moet worden gecontroleerd op de plaats van een verbinding. 3D-printen bouwt een object op door lagen af ​​te zetten in volgorde:zelfs als dit mogelijk zou zijn met traditioneel bijna gesmolten staal dat nodig is voor sommige ferrolegeringen, zouden de spanningen veroorzaakt door verschillende niveaus van koeling de eigenschappen van het metaal fundamenteel veranderen in vergelijking met een volledig gegoten metaal. stuk.

Toch ligt het materiaal dat door metaalprinters wordt gedrukt dichter bij staal dan bij plastic. Voor de gieterij is het opwindend dat deze metaalprinttechnologie op een dag het functioneel testen van een snel prototype mogelijk zal maken. Misschien kan een metalen onderdeel goedkoop worden bedrukt en onder relatieve spanning worden gezet, en vervolgens door het productieproces worden aangepast.

Vandaag snel prototypen voor de gieterij

Gietapparatuur en -technieken zijn verbeterd door eeuwen van leren en ontwikkeling. Zandgieten geeft fabrikanten veel controle over het gedrag van metaal in gesmolten en afgekoelde toestand, waardoor de mechanische eigenschappen van het metaal veranderen. Metaal dat door het gietproces anders is behandeld, kan in verschillende vormen worden gekristalliseerd, die elk voor extra eigenschappen kunnen worden bewerkt. Dit verklaart het bereik van mechanische eigenschappen die een klant beschikbaar heeft via metaalgieten.

Maar het maken van de patronen voor deze gietstukken betekende moeizaam handsnijden van houtpatronen om in het zand te vormen. Deze patronen moeten worden gemaakt zonder plaatsen waar metaal kan "poolen" en daarom langzamer afkoelen, waardoor interne spanning op het onderdeel ontstaat. Ze moeten glad genoeg zijn om uit het zand te trekken dat ze inprenten. Door een geprint object te maken, kunnen de ontwerper en de gieterij veranderingen aan het object overwegen die helpen bij het creëren van het meest efficiënte, best gevormde patroon voor het project.

Investeringsgieten is een veelzijdig proces dat ideaal is voor productie van grote volumes, vooral voor complexe ontwerpen en waar oppervlaktekwaliteit belangrijk is. Bij investeringsgieten wordt meestal een matrijs gemaakt om waspatronen te produceren, die vervolgens worden gecoat om keramische mallen te vormen. Waspatronen worden gemakkelijk weggesmolten, waardoor de vormholten klaar zijn voor gesmolten metaal.

Matrijzen kunnen echter duur zijn om te produceren, wat de eenheidskosten al vroeg in de ontwerpfase aanzienlijk kan verhogen. Wat veel fabrikanten doen, is het 3D-printen van waspatronen voor prototypes, waardoor de noodzaak voor aangepaste matrijzen wordt geëlimineerd. Ontwerpers kunnen hun deel beoordelen en werken aan een definitieve versie voordat ze zich committeren aan duurdere tooling voor productie op lange termijn. Het printen van patronen is ook voordeliger voor kleine oplagen en eenmalige producties. Bij het gieten van investeringen kunnen 3D-printers daarom het uiteindelijke patroon voor gebruik creëren.

Een snelle prototyping-revolutie

3D-printen is een revolutie in het gieten van metaal, ook al vervangt het de traditionele metaalproductie niet. Traditionele sectoren worden alleen beperkt door hun verbeeldingskracht als ze bedenken hoe de toekomst van deze zich snel ontwikkelende technologie traditionele productiepraktijken kan verbeteren. De besparingen die beschikbaar zijn in prototyping zorgen voor meer tweaks en wijzigingen, extra iteraties voordat ze op volledige schaal worden geproduceerd. Wat er ook komt in de toekomst van 3D-printen, het zal zeker een nuttig hulpmiddel zijn voor al die ontwerpers die de beste producten voor hun klanten willen creëren.