Low-Run Injectegieten Optimaliseren met 3D-Gepriinte Vormen

Dit artikel bespreekt het gebruik van 3D-printen om vormen te printen voor low-run injectegieten. Ontwerpoverwegingen, materialen, vormconfiguraties en een vergelijkende case study zijn allemaal opgenomen.

Hoe een 3D-geprinte injectegietvorm te ontwerpen

Materialen

Een 3D-printmateriaal is geschikt voor het maken van een injectegietvorm als het:

• Hoge temperatuurbestendigheid - Een hoge warmteafbuigingtemperatuur is vereist om de mechanische en thermische belasting tijdens het injecteren van het materiaal weer te staan. Let op dat de temperatuur snel daalt tijdens solidificatie.
• Hoge stijfheid/zwaarte - Herhaaldelijk onderdelen verwijderen kan slijtage aan de vorm veroorzaken, dus materialen met hoge stijfheid zijn vereist om de vormnauwkeurigheid in de tijd te behouden.
• Hoog detailniveau - Een van de hoofdvereisten van een injectegietvorm is hoge dimensionale nauwkeurigheid en een glad oppervlak. Zeer nauwkeurige vormen produceren zeer nauwkeurige onderdelen.

De 3D-printtechnologieën die het beste aan deze eisen voldoen zijn SLA en Material Jetting. Deze technologieën kunnen onderdelen produceren met hoge dimensionale nauwkeurigheid en zijn ideaal voor het printen van ingewikkelde details en zeer fijne kenmerken. Specialiteitsmaterialen die beschikbaar zijn in deze technologieën, zoals Formlabs High Temperature resin of Stratasys Digital ABS, zijn ideaal voor giet- en toolingtoepassingen. Een overzicht van de eigenschappen die het meest relevant zijn voor injectegieten voor deze twee materialen wordt hieronder weergegeven.

Voor industriële toepassingen is desktop SLA niet geschikt. Een diepgaand artikel dat de twee meest gebruikte industriële 3D-printmaterialen voor vormproductie vergelijkt (Digital ABS en Somos PerFORM) kan hier worden gevonden.

*Informatie afkomstig van Formlabs **Informatie afkomstig van Stratasys

Een 3D-geprinte injectegietvorm gemaakt van Digital ABS

Vormontwerp

Het beschrijven van specifiek technisch ontwerp van vormkenmerken (zoals gates, runners, luchtontluchtingen etc) valt buiten de scope van dit artikel. Een internetzoekopdracht onthult een grote hoeveelheid informatie over het onderwerp. Deze post van Seattle Robotics is een goed startpunt voor diegenen die nieuw zijn in injectegietvormontwerp.

Hier is een lijst met goede praktijken die gevolgd moeten worden bij het ontwerpen van een 3D-geprinte vorm:

• Bij het ontwerpen van de vorm voor SLA-printen, zorg ervoor dat de binnenkant van de vorm georiënteerd is zodat geen support in contact komt met hen. Dit verbetert hun oppervlakkwaliteit, aangezien geen supportlittekens op deze oppervlakken aanwezig zullen zijn, wat de benodigde post-processing minimaliseert.
• Het opnemen van ondiepe luchtontluchtingen (0,05 mm diep) van de rand van de cativiteit naar de rand van de vorm helpt ingeperkte lucht tijdens het gietproces te ontluchten.
• Als de 3D-geprinte vorm voor meer dan 20 runs gebruikt wordt, overweeg dan kanalen in het ontwerp op te nemen voor het inbedden van metalen staven of buizen. Deze kunnen de vorm versterken, vervorming verminderen en afkoeltijden verbeteren.
• De vorm printen met een lagere laaghogte kan helpen gladere gegoten onderdelen te produceren, omdat de vormen minder zichtbare printlijnen zullen hebben.
• Gereleefde en ingegravureerde details moeten ten minste 1 mm van het oppervlak af staan.

Specifieke ontwerprestricties hangen af van de gebruikte injectegietmachine. Stratasys suggereert echter dat vormen gemaakt via hun Material Jetting printers gebruikt moeten worden om onderdelen te produceren met een maximaal volume van 165 cm³ in 50 tot 80 ton gietmachines of handmatige persen.

Onderdelen ontwerpen voor injectegieten

Net als bij conventionele injectegietvormen, moet een ontwerper rekening houden met:

• Een trekking van minimaal 2 graden toevoegen om de verwijdering van het onderdeel uit de vorm te vergemakkelijken.
• Uniforme wanddikte over het hele onderdeel handhaven.
• Alle wanden en kenmerken zo dun mogelijk houden.
• Stralen op alle randen en hoeken opnemen.
• Dunne ribben en gussets opnemen om sterkte toe te voegen aan een onderdeel in plaats van de wanddikte te verhogen.

Trekking ontwerp voor injectegieten

Lees meer over het belang van trekkhoeken in dit artikel →

Flash verminderen

Flash is de naam voor het materiaal dat tussen de twee helften van de vorm uitkomt tijdens het injectieproces. Dit treedt doorgaans op wanneer de twee vormhelften niet perfect op elkaar passen, niet perfect vlak en glad zijn of de vorm overvuld is. Runners worden in het vormontwerp gebruikt om de kans op flash te verminderen.

Als u ontwerpt voor een aluminium frame, voeg 0,125 mm extra dikte toe aan de achterkant van de vormplaten om rekening te houden met de compressiekrachten en een complete afdichting te garanderen. Het verhogen van de spankracht in de schroefbank kan ook helpen flash te verminderen, net als het polijsten van het scheidingsvlak van de vorm om het zo vlak mogelijk te maken.

Goed vormontwerp en een vlak vormgezicht verminderen de kans op flash

(afbeelding met dank aan Formlabs)

Vrijmakingsmiddel

Vanwege de relatief kwetsbare aard van de materialen die in 3D-geprinte injectegietvormen worden gebruikt vergeleken met traditionele vormen, kan het toepassen van overmatige kracht om een onderdeel uit de vorm te verwijderen leiden tot snelle verval van de vorm. Het aanbrengen van een vrijmakingsmiddel op de oppervlakken van de vormholte voor de injectiefase kan het verwijderen van het onderdeel enorm helpen.

Case study: een kunststof motorbehuizing

Deze case study vergelijkt de productie van een maatwerk kunststof fitting voor een motorbehuizing. De ontwerpvereisten zijn:

• Het totale aantal onderdelen is 25.
• Een hoog niveau van dimensionale nauwkeurigheid is nodig om een strakke pasvorm te garanderen.
• Het gewicht van het onderdeel is 0,005 kg (5 gram).
• Het onderdeel moet van ABS gemaakt zijn.
• Het onderdeel moet zwart van kleur zijn.
• De totale diameter van het onderdeel is 40 mm.

Hier zijn de beschikbare alternatieve productieopties:

Industriële FDM ABS 3D-printen: Industriële FDM 3D-printen heeft hoge herhaalbaarheid en kan onderdelen produceren met hoge dimensionale nauwkeurigheid en kan onderdelen in kleine tot middelgrote series printen. De kosten van het ABS-filament dat in industriële FDM-systemen wordt gebruikt, is doorgaans rond $90 - $110 per kg. De belangrijkste beperking voor elk onderdeel dat via FDM 3D-printen wordt geproduceerd is de anisotrope mechanische prestatie: onderdelen zijn aanzienlijk zwakker in één richting. Dit betekent dat een ontwerper een goed begrip moet hebben van de belasting waaraan het onderdeel wordt onderworpen en de oriëntatie van het model op het printplatform.

Injectegieten ABS onderdelen met SLA 3D-geprinte vormen: High Temperature SLA resins zijn in staat functionele injectegietvormen te produceren met een hoog niveau van nauwkeurigheid die het beste geschikt zijn voor lage productieruns. SLA resins worden in de handel verkocht voor ongeveer $150 - $170 per liter. Een bankinjectegietmachine is gebruikt voor de berekeningen in dit voorbeeld met de 3D-geprinte vormen in aluminium ondersteuningsframes geïnserteerd. ABS-pellets worden gebruikt voor het gieten van het onderdeel die ongeveer $2 - $3 kosten.

Traditioneel injectegoten ABS onderdeel: Traditioneel injectegoten onderdelen hebben een zeer hoog niveau van nauwkeurigheid, uitstekende oppervlakteafwerking en een zeer hoog niveau van herhaalbaarheid. De belangrijkste nadelen van traditioneel injectegieten zijn de hoge initiële setupkosten en het aantal ontwerprestricties die opgelegd worden bij het ontwerpen van het gegoten onderdeel (trekkhoeken, constante wanddikte etc.). De kosten van de ABS-pellets zijn hetzelfde als hierboven.

Een samenvatting van de kosten (gebaseerd op online offertes) van de productie van de ABS fitting met de bovenstaande technologieën is samengevat in de onderstaande tabel. Alle prijzen zijn exclusief verzendkosten.

* Offerte afkomstig van Protolabs Network.com met ABS, 20% infill geprint op een Fortus 250MC
** Offerte afkomstig van Protolabs Network.com met Formlabs High Temp resin geprint op een Form2
*** Offerte afkomstig van Protolabs

Volgende stappen: Hoe onderdelen te produceren met injectegieten

Is low-run injectegieten met 3D-geprinte vormen de beste oplossing voor uw toepassing? Dan zijn er twee manieren om verder te gaan met uw project:

Als u toegang heeft tot een injectegietmachine en de know-how om de vorm te ontwerpen, dan is de vorm 3D-printen in een hittebestendig materiaal een optie. Een artikel over de voor- en nadelen van de twee meest gebruikte 3D-printmaterialen voor het produceren van low-run injectegietvormen kan hier worden gevonden.

Anders kunt u de productie uitbesteden aan een professional injectegietfabrikant. Protolabs Network biedt toegang tot een wereldwijd netwerk van Injectegiet serviceproviders, die in staat zijn een vorm voor uw onderdeel te ontwerpen en volumes van 100 tot 10.000+ eenheden te produceren.

Heeft u advies nodig over uw injectegietproject?

Spreek met een expert