Transformerend Prototypen: De Kracht van 3D-geprinte Tooling

Wanneer we de rol van 3D-printen in de productiewereld bespreken, overwegen we vaak de manieren waarop additieve productie uiteindelijk traditionele technieken kan vervangen. Feitelijk markten veel ontwikkelaars van AM-hardware hun machines effectief als een directe vervanging voor dingen als CNC-machines of spruitgietsystemen.

Maar 3D-printen kan ook worden gebruikt om bestaande technologieën als CNC-bewerking, spruitgieten, bladmetaalbewerking, extruderen en gieten te complementeren.

Dat is omdat AM-systemen – ofwel industriële metaaltechnologieën als DMLS of kunststoftechnologieën als FDM of SLS – gebruikt kunnen worden om 3D-geprinte tooling voor deze processen te maken, wat de productie versnelt en/of verbetert om betere resultaten te leveren.

Dit artikel kijkt naar hoe 3D-geprinte tooling de toekomst van prototyping en lage-volume productie vormgeeft. Het bespreekt verschillende soorten 3D-geprinte tooling, waarom 3D-geprinte tooling nuttig is, en welke materialen beschikbaar zijn.

Soorten 3D-geprinte tooling

Tooling is een parapluvterm die gebruikt wordt om diverse fixatie-, ondersteunings- of vormgevingsmechanismen in de productie te beschrijven. Tooling voor een onderdeel kan uit één of meerdere componenten bestaan en wordt meestal gemaakt van een robuust materiaal als gereedschapsstaal.

3D-printen kan gebruikt worden om verschillende soorten tooling te maken. Echter, sommige componenten zijn makkelijker te maken dan andere, en sommige kunnen alleen geproduceerd worden met high-end AM-apparatuur.

1. Vormen

Een vorm is een soort holle container die met een materiaal wordt gevuld om onderdelen te maken. Vormmakingsproces wordt doorgaans bereikt via bewerking, maar 3D-printen – gekoppeld aan temperatuurbestendige materialen – wordt een haalbare optie voor bepaalde onderdelen.

Geprinte vormen kunnen uitgebreide oppervlakteafwerking of andere oppervlaktebehandelingen vereisen voordat ze klaar zijn voor gebruik, maar de snelheid waarmee ze gemaakt kunnen worden, is een enorme vinding voor prototyping-bedrijven.

Volgens het Duitse AM-bedrijf EOS: "De mogelijkheid om zelfs de meest complexe structuren in hoge kwaliteit en met korte productietijden te produceren, betekent dat 3D-printen ... duidelijke voordelen biedt voor vormmakingsproces."

2. Voorrichtingen (Jigs)

Een voorrichting (jig) is een op maat gemaakte werkhoudering die gebruikt wordt om de consistentie van onderdelen tijdens de productie te verbeteren. Het wordt doorgaans gebruikt om de beweging van een snijgereedschap te sturen en te controleren.

3D-printers worden steeds nuttiger voor het fabriceren van op maat gemaakte items als voorrichtingen en bevestigingen, aangezien het proces goedkoop is voor éénmalige onderdelen.

Fabrikanten van 3D-geprinte voorrichtingen en bevestigingen kunnen ook de levertijden drastisch verminderen – zeker als het printen in-house plaatsvindt.

3. Bevestigingen (Fixtures)

Een bevestiging (fixture) is een op maat gemaakte werkhoudering die gebruikt wordt om een werkstuk tijdens de productie, meestal bewerking, te bevestigen. In tegenstelling tot voorrichtingen, zijn werkstukken meestal uniek voor de te maken onderdelen, in plaats van voor de productieapparatuur.

Voorrichtingen en bevestigingen kunnen in metaal of in engineering kunststoffen als TPU of koolstofvezel-versterkt nylon 3D-geprint worden.

4. Extrusiematrijzen

Matrijzen zijn dikke staalplaten met gevormde openingen. In het extrusieproces wordt een materiaal door de matrijzopening geperst, wat een lang onderdeel creëert met een doorsnede die overeenkomt met de opening van de matrijz.

Net als vormen, worden matrijzen doorgaans geproduceerd in temperatuurbestendige materialen als staal, die steeds makkelijker te printen zijn met processen als DMLS en SLM.

Voordelen van 3D-geprinte tooling

Conforme koelkanalen

In processen als spruitgieten, worden koelkanalen gebruikt om koelvloeistof rond een gesmolten materiaal te injecteren zodat het gelijkmatig afkoelt en uithardt. Dit helpt vervorming en misvormingen in het gegoten onderdeel te voorkomen.

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

Volgens metaal AM-specialist Desktop Metal: "Onderdelen met complexe ontwerpen en interne structuren – zoals conforme koelkanalen voor op maat gemaakte vormen – zijn ideaal geschikt voor additieve productie waar productietijd en kosten-per-onderdeel niet noodzakelijk afhankelijk zijn van ontwerpcomplexiteit."

Snelle fabricage

3D-printen is een snel proces, met minimale opzet- of voorbereidingstijd vereist. Dit stelt de snelle productie van tooling mogelijk – en voor directe her-tooling als een tool breekt of wijziging vereist.

Hoewel 3D-geprinte tooling nog in de kinderschoenen zit en niet door de meeste fabrikanten (of klanten) wordt bevorzugd, wordt het al belangrijk voor rapid prototyping, waar levertijdoverwegingen geprioriteerd worden boven andere factoren.

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

Betaalbaar en efficiënt

Tooling kan erg duur zijn, zeker als meerdere componenten nodig zijn of het ontwerp met name gecompliceerd is. 3D-printen kan de kosten van tooling verlagen, aangezien een complex en ingewikkeld ontwerp bijna zo snel geproduceerd kan worden als een eenvoudig ontwerp.

AM is ook efficiënt in termen van materiaalgebruik, aangezien het niet inhoudt dat verspillingsmateriaal van een werkstuk wordt afgesneden.

Uiteindelijk zal elke workaround die de kosten van een prototypingfase drastisch verlaagt, een steeds grotere rol gaan spelen in het prototypingproces.

3D-printerfabrikant Markforged zegt dat ze "fabrikanten zien die in staat zijn om 10-50% van hun duurzame tooling die in hun proces gebruikt wordt, te 3D-printen," wat "significante waarde vertegenwoordigt wanneer je rekening houdt met het feit dat de gemiddelde kostenbesparing van een 3D-geprint onderdeel vs een bewerkt onderdeel 80% is."

Kan gebruikt worden voor verschillende processen

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

• Drukgieterij
• Spruitgieten
• Extruderen
• CNC-bewerking
• Bladmetaalbewerking

Beste AM Tooling Materialen

Gereedschapsstaal

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

Echter, sommige metaal 3D-printtechnologieën kunnen het materiaal printen, wat opportuniteiten creëert voor 3D-printen van items als spruitgietvormen. Industriële AM-bedrijf EOS produceert een reeks 3D-printbare gereedschapsstaalpoeders, inclusief Maraging staal en gereedschapsstaal 1.2709.

Inconel

Processen als DMLS en SLM kunnen gebruikt worden om tooling te printen uit Inconel nikkelalliages. Inconel is bestendig tegen hoge temperaturen, wat het geschikt maakt voor een reeks toolingtoepassingen, inclusief vormgeven en extruderen.

Composieten

Composieten zoals koolstofvezel-versterkt nylon of PEEK kunnen dienen als vervanging voor hoogsterkte metalen bij het maken van 3D-geprinte tooling als voorrichtingen en bevestigingen.

Engineering thermoplasten

3D-printbedrijf Stratasys adviseert om bepaalde voorrichtingen en bevestigingen te maken van hoogpresterende FDM-materialen als TPU, versterkt nylon, of ASA.

3ERP is een rapid prototyping specialist met jarenlange ervaring in bewerking, additieve productie, en andere disciplines. Neem contact op voor een gratis offerte.