Optimalisatie van spuitgieten in lage oplagen met 3D-geprinte mallen

Dit artikel bespreekt het gebruik van 3D-printen voor het printen van mallen voor spuitgieten in kleine oplages. Ontwerpoverwegingen, materialen, matrijsconfiguraties en een vergelijkende casestudy zijn allemaal inbegrepen

Hoe u een 3D-geprinte spuitgietmatrijs ontwerpt

Materialen

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

• Hoge temperatuurbestendigheid - Een hoge warmteafbuigingstemperatuur is vereist om bestand te zijn tegen de mechanische en thermische belastingen die tijdens de materiaalinjectie op de mal worden uitgeoefend. Houd er echter rekening mee dat de temperatuur tijdens het stollen snel daalt.
• Hoge stijfheid/taaiheid - Het herhaaldelijk verwijderen van onderdelen kan slijtage aan de mal veroorzaken, dus materialen met een hoge stijfheid zijn nodig om de malnauwkeurigheid in de loop van de tijd te behouden.
• Hoog detailniveau - Een van de belangrijkste eisen aan een spuitgietmatrijs is een hoge maatnauwkeurigheid en een glad oppervlak. Zeer nauwkeurige mallen 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 een hoge maatnauwkeurigheid en zijn ideaal voor het afdrukken van ingewikkelde details en zeer fijne kenmerken. Speciale materialen die beschikbaar zijn in deze technologieën, zoals Formlabs High Temperature hars of Stratasys Digital ABS, zijn ideaal voor vorm- en gereedschapstoepassingen. Hieronder vindt u een overzicht van de eigenschappen die het meest relevant zijn voor het spuitgieten van deze twee materialen.

Voor industriële toepassingen is desktop SLA niet geschikt. Een diepgaand artikel waarin de twee meest gebruikte industriële 3D-printmaterialen voor de matrijzenbouw (Digtal ABS en Somos PerFORM) worden vergeleken, vindt u hier.

Eigenschap Formlabs hars voor hoge temperaturen* Stratasys Digitale ABS** Warmteafbuigingstemperatuur 289 ℃ @ 0,45 MPa 92 - 95 ℃ @ 0,45 MPa Buigmodulus 3,3 GPa 1,7 - 2,2 GPa Schoksterkte (gekerfde IZOD) 14 J/m 65 - 80 J/m Laagste laaghoogte (resolutie) 25 - 50 micron 16 - 30 micron Minimale detailgrootte 0,2 mm 0,2 mm *Informatie afkomstig van Formlabs**Informatie afkomstig van Stratasys Een 3D-geprinte spuitgietmatrijs gemaakt van digitaal ABS

Moldontwerp

Het beschrijven van specifiek technisch ontwerp van matrijskenmerken (zoals poorten, lopers, ventilatieopeningen enz.) valt buiten het bestek van dit artikel. Een zoekopdracht op internet levert een grote hoeveelheid informatie over dit onderwerp op. Dit bericht van Seattle Robotics is een goed startpunt voor degenen die nieuw zijn in het ontwerpen van spuitgietmatrijzen.

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

• Zorg er bij het ontwerpen van de matrijs voor SLA-afdrukken voor dat de binnenvlakken van de matrijs zo zijn georiënteerd dat er geen ondersteuning mee in contact komt. Dit verbetert de kwaliteit van het oppervlak, omdat er geen steunsporen op deze oppervlakken aanwezig zullen zijn, waardoor de benodigde nabewerking wordt geminimaliseerd.
• Het opnemen van ondiepe luchtopeningen (0,05 mm diep) vanaf de rand van de holte tot aan de rand van de mal zal helpen om ingesloten lucht tijdens het gietproces te verdrijven.
• Als de 3D-geprinte mal voor meer dan 20 runs moet worden gebruikt, overweeg dan om kanalen in het ontwerp op te nemen voor het inbedden van metalen staven of buizen. Deze kunnen helpen de mal te versterken, kromtrekken te verminderen en de koeltijden te verbeteren.
• Het 3D-printen van de mal op een lagere laaghoogte kan helpen om gladdere gegoten onderdelen te produceren, omdat de mallen minder zichtbare printlijnen hebben.
• Reliëf- en gegraveerde details moeten minimaal 1 mm van het oppervlak verwijderd zijn.

Specifieke beperkingen op het ontwerp zullen afhangen van de gebruikte spuitgietmachine. Stratasys suggereert echter dat mallen die via hun Material Jetting-printers zijn gemaakt, moeten worden gebruikt om onderdelen met een maximaal volume van 165 cm3 te produceren in vormmachines van 50 tot 80 ton of handmatige handpersen.

Onderdelen ontwerpen voor spuitgieten

Net als bij conventionele spuitgietmatrijzen moet een ontwerper rekening houden met het volgende:

• Het toevoegen van een trekhoek van minimaal 2o graden om het verwijderen van het onderdeel uit de mal te vergemakkelijken.
• Het handhaven van een uniforme wanddikte over het gehele onderdeel.
• Alle muren en elementen zo dun mogelijk houden.
• Inclusief radiussen op alle randen en hoeken.
• Inclusief dunne ribben en inzetstukken om sterkte aan een onderdeel toe te voegen in plaats van de wanddikte te vergroten.

Trekhoekontwerp voor spuitgieten

Lees meer over het belang van diepgangshoeken in dit artikel →

Flits verminderen

Flash is de naam die wordt gegeven aan het materiaal dat tijdens het injectieproces tussen de twee helften van de mal naar buiten komt. Dit gebeurt meestal wanneer de twee malhelften niet perfect op elkaar passen, niet perfect vlak en vlak zijn of als de mal te vol is. Bij het matrijsontwerp worden lopers gebruikt om de kans op flitsen te verkleinen.

Als u ontwerpt voor een aluminium frame, voeg dan 0,125 mm extra dikte toe aan de achterkant van de vormplaten om rekening te houden met de compressiekrachten en om een volledige afdichting te garanderen. Het vergroten van de klemkracht in de bankschroef kan ook helpen om flitsen te verminderen, net als het polijsten van het gespleten vlak van de mallen om het een zo vlak mogelijk oppervlak te geven.

Een goed matrijsontwerp en een vlak matrijsvlak verminderen de kans op flitsvorming

(afbeelding met dank aan Formlabs)

Laat verbinding los

Vanwege de relatief kwetsbare aard van de materialen die worden gebruikt in 3D-geprinte spuitgietmatrijzen in vergelijking met traditionele matrijzen, kan het uitoefenen van overmatige kracht om een onderdeel uit de matrijs te verwijderen leiden tot snelle slijtage van de matrijs. Het aanbrengen van een losmiddel op de oppervlakken van de vormholte vóór de injectiefase kan enorm helpen bij het verwijderen van onderdelen.

Casestudy:een kunststof motorfitting

In deze casestudy wordt de productie van een op maat gemaakte kunststof fitting voor een motorbehuizing vergeleken. De eisen van het ontwerp zijn:

• Het totale aantal onderdelen is 25.
• Er is een hoge maatnauwkeurigheid nodig om een goede pasvorm te garanderen.
• Het gewicht van het onderdeel is 0,005 kg (5 gram).
• Het onderdeel moet gemaakt zijn van ABS.
• Het onderdeel moet zwart van kleur zijn.
• De totale diameter van het onderdeel is 40 mm.

Hier zijn de beschikbare alternatieve productieopties:

Industrieel FDM ABS 3D-printen: Industrieel FDM 3D-printen heeft een hoge herhaalbaarheid en kan onderdelen produceren met een hoge maatnauwkeurigheid en kan onderdelen in kleine tot middelgrote batches printen. De kosten van het ABS-filament dat in industriële FDM-systemen wordt gebruikt, bedragen doorgaans ongeveer $90 - $110 per kg. De belangrijkste beperking voor elk onderdeel dat via FDM 3D-printen wordt geproduceerd, zijn de anisotrope mechanische prestaties:onderdelen zijn aanzienlijk zwakker in één richting. Dit betekent dat een ontwerper een goed inzicht moet hebben in de belastingen waaraan het onderdeel zal worden blootgesteld en de oriëntatie van het model in het printplatform.

Spuitgieten van ABS-onderdelen met SLA 3D-geprinte mallen: SLA-harsen voor hoge temperaturen zijn in staat functionele spuitgietmatrijzen te produceren met een hoge nauwkeurigheid die het meest geschikt zijn voor productieruns op laag niveau. SLA-harsen kosten ongeveer $ 150 - $ 170 per liter. Voor de berekeningen in dit voorbeeld is een tafelmodel spuitgietmachine gebruikt, waarbij de 3D-geprinte mallen in aluminium steunframes zijn geplaatst. Voor het vormen van het onderdeel worden ABS-pellets gebruikt die ongeveer $2 - $3

kosten

Traditioneel spuitgegoten ABS-onderdeel: Traditionele spuitgietonderdelen hebben een zeer hoge nauwkeurigheid, uitstekende oppervlakteafwerking en een zeer hoge mate van herhaalbaarheid. De belangrijkste nadelen van traditioneel spuitgieten zijn de hoge initiële opstartkosten en het aantal ontwerpbeperkingen dat wordt opgelegd bij het ontwerpen van het gegoten onderdeel (tochthoeken, constante wanddikte enz.). De kosten van de ABS-pellets zijn hetzelfde als hierboven.

Een samenvatting van de kosten (gebaseerd op online offertes) voor het vervaardigen van de ABS-fitting met behulp van de hierboven besproken technologieën is samengevat in de onderstaande tabel. Alle prijzen zijn exclusief verzendkosten.

Industriële FDM* 3DP IM** Traditionele IM*** Kosten van schimmel N.v.t. $70,85 $1660,72 Kosten per onderdeel $3,69 $0,05 $1,89 Totale kosten $92,25 $72,10 $1711,48 Levertijd 4 dagen 2 dagen 8 dagen * Citaat afkomstig van Protolabs Network.com met ABS, 20% infill gedrukt op een Fortus 250MC** Citaat afkomstig van Protolabs Network.com met Formlabs High Temp-hars gedrukt op een Form2*** Citaat afkomstig van Protolabs

Volgende stappen:onderdelen produceren met spuitgieten

Is low-run spuitgieten met 3D-geprinte matrijzen de beste oplossing voor uw toepassing? Dan zijn er twee manieren waarop u verder kunt gaan met uw project:

Als u toegang heeft tot een spuitgietmachine en de knowhow om de matrijs te ontwerpen, dan de matrijs in 3D printen in hittebestendig materiaal is een optie. Een artikel waarin de voor- en nadelen worden besproken van de twee meest gebruikte 3D-printmaterialen voor het vervaardigen van spuitgietmatrijzen in kleine oplagen kunt u hier vinden.

Anders kunt u de productie uitbesteden aan een professional fabrikant van spuitgietproducten. Protolabs Network biedt toegang tot een wereldwijd netwerk van spuitgietserviceproviders, die een matrijs voor uw onderdeel kunnen ontwerpen en volumes van 100 tot 10.000+ eenheden kunnen produceren.

Advies nodig over uw spuitgietproject?

Praat met een deskundige