Gids voor laagvolume spuitgieten

Hoewel spuitgieten traditioneel alleen wordt beschouwd als een productieproces voor massaproductie vanwege de hoge gereedschapskosten, kan het gebruik van 3D-printen om spuitgietmatrijzen te fabriceren u in staat stellen dit proces te gebruiken om hoogwaardige en herhaalbare onderdelen te produceren voor prototyping en productie in kleine volumes.

In deze uitgebreide gids leert u hoe u 3D-geprinte spuitgietmatrijzen kunt gebruiken met zowel benchtop- als industriële machines om op efficiënte en betaalbare wijze honderden functionele prototypes en onderdelen te produceren die de productontwikkeling versnellen, kosten en doorlooptijden verlagen en betere producten op de markt brengen.

Laag-volume spuitgieten versus traditioneel spuitgieten

Spuitgieten is een van de leidende processen voor het vervaardigen van kunststoffen. Het is een kosteneffectieve en uiterst herhaalbare technologie die hoogwaardige onderdelen oplevert voor grote serieproductie. Als gevolg hiervan wordt het veel gebruikt voor de massaproductie van identieke onderdelen met nauwe toleranties.

Spuitgieten is een snel, intensief proces waarbij hoge hitte en druk nodig zijn om gesmolten materiaal in een mal te injecteren. Het gesmolten materiaal is afhankelijk van de omvang van het fabricageproject. De meest populaire materialen zijn verschillende thermoplasten, zoals ABS, PS, PE, PC, PP of TPU, maar ook metalen en keramiek kunnen worden gespuitgiet. De mal bestaat uit een holte die het geïnjecteerde gesmolten materiaal herbergt en is ontworpen om de uiteindelijke kenmerken van een onderdeel nauwkeurig te weerspiegelen.

De mallen worden traditioneel gemaakt van metaal door CNC-bewerking of elektrische ontladingsbewerking (EDM). Dit zijn dure industriële methoden die gespecialiseerde apparatuur, hoogwaardige software en geschoolde arbeidskrachten vereisen. Als gevolg hiervan duurt de productie van een metalen mal doorgaans vier tot acht weken en kost het ergens tussen de $ 2.000 en $ 100.000, afhankelijk van de vorm en de complexiteit van het onderdeel. Voor kleinere hoeveelheden onderdelen maken de kosten, tijd, gespecialiseerde apparatuur en geschoolde arbeidskrachten die nodig zijn om de matrijs te vervaardigen uit gewone gereedschapsmetalen en fabricagemethoden, spuitgieten op deze schaal vaak onbereikbaar. Er zijn echter alternatieven voor het machinaal bewerken van matrijzen uit metaal. Door gebruik te maken van in-house 3D-printen om spuitgietmatrijzen te fabriceren voor prototyping en productie in kleine volumes, worden de kosten en tijd aanzienlijk verminderd in vergelijking met metalen mallen, terwijl nog steeds hoogwaardige en herhaalbare onderdelen worden geproduceerd.

In deze video werken we samen met spuitgietserviceprovider Multiplus om u door de stappen van het spuitgietproces te leiden met behulp van 3D-geprinte matrijzen .

Desktop 3D-printen is een krachtige oplossing om snel en tegen lage kosten spuitgietmatrijzen te vervaardigen. Het vereist zeer beperkte apparatuur, wat de CNC-tijd en bekwame operators in de tussentijd bespaart voor andere hoogwaardige taken. Fabrikanten kunnen profiteren van de snelheid en flexibiliteit van in-house 3D-printen om de matrijs te maken en deze te koppelen aan de productiekracht van spuitgieten om binnen enkele dagen een reeks eenheden van gewone thermoplasten te leveren. Ze kunnen zelfs gecompliceerde vormvormen bereiken die traditioneel moeilijk te vervaardigen zijn en die kunnen worden gebruikt op zowel desktop- als industriële vormmachines, waardoor ontwikkelingsteams innovatiever kunnen zijn. Bovendien profiteert productontwikkeling van de mogelijkheid om het ontwerp te herhalen en het materiaal voor eindgebruik te testen voordat wordt geïnvesteerd in hard gereedschap.

Ook al kunnen 3D-printvormen deze voordelen bieden als ze op de juiste manier worden gebruikt, er zijn nog steeds enkele beperkingen waarmee u rekening moet houden. We mogen niet dezelfde prestaties verwachten van een 3D-geprinte polymeervorm als van een machinaal bewerkte metalen. Kritische afmetingen zijn moeilijker te halen, de afkoeltijd is langer omdat de thermische overdracht langzamer plaatsvindt in plastic, en bedrukte mallen kunnen gemakkelijker breken onder hitte en druk. Bedrijven in de hele industrie blijven echter 3D-geprinte matrijzen implementeren in hun spuitgietworkflows in kleine oplagen, waardoor ze snel honderden tot duizenden onderdelen kunnen produceren. Van het ontwerpen van functionele prototypes met materialen voor eindgebruik, het fabriceren van onderdelen tijdens proefproductie of het vervaardigen van kleine of aangepaste eindgebruiksonderdelen, 3D-printen van spuitgietmatrijzen is een kosteneffectieve en snelle manier om onderdelen in beperkte hoeveelheden te produceren.

Stereolithografie (SLA) 3D-printtechnologie is een uitstekende keuze voor gieten. Het wordt gekenmerkt door een gladde oppervlakteafwerking en een hoge precisie die de mal zal overbrengen naar het uiteindelijke onderdeel en dat ook het ontvormen vergemakkelijkt. 3D-prints geproduceerd door stereolithografie zijn chemisch gebonden zodat ze volledig dicht en isotroop zijn, waardoor functionele mallen worden geproduceerd met een kwaliteit die niet mogelijk is met fused deposition modeling (FDM) 3D-printen. Desktop SLA-printers, zoals die worden aangeboden door Formlabs, kunnen naadloos worden geïntegreerd in elke spuitgietworkflow omdat ze eenvoudig te implementeren, bedienen en onderhouden zijn.

Een 3D-geprinte spuitgietkern geassembleerd met een metalen malschaal.

Als alternatief voor middelgrote productie van ongeveer 500 tot 10.000 onderdelen, kan het machinaal bewerken van matrijzen uit aluminium ook de vaste kosten voor het vervaardigen van matrijzen verlagen. Het bewerken van aluminium is vijf tot tien keer sneller dan staal en veroorzaakt minder slijtage aan het gereedschap, wat kortere doorlooptijden en lagere kosten betekent. Aluminium geleidt warmte ook sneller dan staal, waardoor er minder koelkanalen nodig zijn en fabrikanten de malontwerpen kunnen vereenvoudigen met behoud van korte cyclustijden.

Samenvattend, hier is een overzicht van de verschillende spuitgietmethoden en de matrijstypes die resulteren in het meest efficiënte proces en de laagste kosten per onderdeel, afhankelijk van het productievolume:

	Laag-volume spuitgieten	Midden-volume spuitgieten	High-volume spuitgieten
Methode	In-house matrijzenproductie en in-house molding	Uitbestede productie en vormgeving van matrijzen	Uitbestede productie en vormgeving van matrijzen
Apparatuur vereist	3D-printer, desktop spuitgietmachine	-	-
Schimmel	3D-geprint polymeer	Gefreesd aluminium	Bewerkt staal
Matrijskosten	<$100	$ 2.000 - $ 5.000	$ 10.000 - $ 100.000
Doorlooptijd tot laatste onderdelen	1-3 dagen	3 tot 4 weken	4-8 weken
Ideaal productievolume	<500	500 - 10.000	5,000+
Toepassingen	Snelle prototyping Spuitgieten op maat Spuitgieten op korte termijn	Korte termijn spuitgieten	Massaproductie

Het type spuitgietpers heeft geen significante invloed op het proces voor laagvolume spuitgieten; traditionele grote industriële spuitgietmachines kunnen ook worden gebruikt met 3D-geprinte spuitgietmatrijzen. Deze machines zijn echter duur, hebben strenge faciliteitsvereisten en vereisen geschoolde arbeidskrachten, en als gevolg daarvan besteden de meeste ondernemingen de productie van middelgrote en grote volumes uit aan dienstverleners en contractfabrikanten.

Als spuitgieten nieuw voor u is en u wilt het testen met een beperkte investering, dan kan het gebruik van een handmatige spuitgietmachine op een tafel, zoals de Holipress of de Galomb Model-B100, een goede optie zijn. Geautomatiseerde kleinschalige spuitgietapparatuur zoals de desktopmachine Micromolder of de hydraulische machine Babyplast 10/12 zijn goede alternatieven voor middelgrote serieproductie van kleine onderdelen.

Benieuwd naar de verschillende factoren die de totale kosten van het spuitgieten bepalen? Lees onze uitgebreide gids.

Wit papier

Snel spuitgieten met laag volume met 3D-geprinte mallen

Download onze whitepaper voor richtlijnen voor het gebruik van 3D-geprinte mallen in het spuitgietproces om de kosten en doorlooptijd te verlagen en bekijk real-life casestudies met Braskem, Holimaker en Novus Applications.

Lees het Witboek

Stap-voor-stap workflow voor laagvolume spuitgieten

De workflow voor laagvolume spuitgieten omvat de volgende zeven stappen:

1. Vormontwerp

Ontwerp de matrijs voor uw onderdeel in de CAD-software van uw keuze. Houd u aan algemene ontwerpregels voor additieve fabricage en spuitgietontwerp. Ontwerpaanbevelingen die specifiek zijn voor polymeer 3D-geprinte mallen zijn te vinden in onze whitepaper.

Upload uw ontwerp naar PreForm, de afdrukvoorbereidingssoftware van Formlabs. Bereid uw afdruk voor en stuur deze naar uw Formlabs 3D-printer.

2. Vorm 3D-printen

Kies een 3D-printmateriaal en begin met printen. Stijve 10K-hars op een laaghoogte van 50 micron is een ideale keuze voor de meeste matrijsontwerpen, omdat het een hoge sterkte, stijfheid en thermische weerstand combineert.

Indien mogelijk wordt geadviseerd om de mal plat te printen, direct op het bouwplatform zonder enige ondersteuning, om kromtrekken te verminderen.

Na het wassen en uitharden is uw 3D-geprinte matrijs klaar om te worden geïntegreerd in uw spuitgietproces.

3. Vormmontage

Voorafgaand aan de montage kunt u ervoor kiezen om de mal af te werken om aan kritische afmetingen te voldoen met handschuren, desktop- of CNC-bewerking.

Het wordt aanbevolen om de bedrukte mal in een standaard metalen frame te plaatsen, of een Master Unit Die, om hoge druk te ondersteunen en de levensduur van uw bedrukte mal te verlengen. Monteer de 3D-geprinte mal voorzichtig in het metalen frame. Voeg indien nodig uitwerppennen, inzetstukken, zij-actie-onderdelen en andere componenten toe.

Installeer de samengestelde matrijs in uw spuitgietmachine.

4. Schimmel vastklemmen

Plaats de plastic pellets, voer de vereiste instellingen in en begin met de productie. Een lagere klemkracht wordt aanbevolen, vooral als de bedrukte mal niet wordt beschermd door een metalen frame.

Een breed scala aan thermoplasten kan worden geïnjecteerd met 3D-geprinte mallen zoals TPE, PP, PE, ABS, POM, ASA, PA, PC of TPU.

5. Injectie

Het kan een paar opnamen kosten om uw ideale procesomstandigheden te identificeren, aangezien er veel factoren een rol spelen, waaronder onderdeelgeometrie, kunststofkeuze, injectietemperaturen en -drukken en andere parameters.

Verlaag de injectiedruk en -temperatuur zoveel mogelijk.

Met één bedrukte mal injecteren gebruikers van Formlabs meestal honderden onderdelen in gemakkelijk te verwerken kunststoffen zoals TPE, PP en PE met temperaturen tot 250°C. Bij kunststoffen die een hogere injectietemperatuur vereisen, zoals PA of PC, kan de 3D-geprinte mal een kortere levensduur hebben.

Lees onze documentatie over procesomstandigheden om testresultaten te zien met zowel desktop- als industriële spuitgietmachines.

6. Koeling

De afkoeltijd van een met polymeer bedrukte mal is langer dan die van een metalen mal, omdat thermische overdracht langzamer plaatsvindt in plastic dan in metaal. Daarom wordt het over het algemeen niet aangeraden om koelkanalen aan uw bedrukte mal toe te voegen.

In plaats daarvan kan het afkoelen worden versneld door perslucht toe te passen om de mal te koelen of door verwisselbare stapels te gebruiken.

7. Ontvormen

Ontvorm het onderdeel handmatig of automatisch met uitwerppennen. Breng een lossingsmiddel aan voor thermoplasten met een hoge viscositeit. Lossingen uit de vorm zijn overal verkrijgbaar en het losmaken van siliconen, zoals Slide- of Sprayon-producten, zijn compatibel met Formlabs Resins.

Low-volume spuitgiettoepassingen

De drie belangrijkste toepassingen voor spuitgieten met een klein volume zijn rapid prototyping, spuitgieten in kleine oplagen en spuitgieten op aanvraag of op maat.

Snel prototypen met spuitgieten

Rapid prototyping helpt bedrijven om ideeën om te zetten in realistische proofs of concept, bevordert deze concepten tot high-fidelity prototypes die eruitzien en werken als eindproducten, en begeleidt producten door een reeks validatiefasen naar massaproductie.

Over het algemeen is 3D-printen de meest gebruikelijke manier om snelle prototypes te maken. In de latere stadia van het ontwikkelingsproces is het echter vaak nodig om iets grotere volumes identieke prototypes te produceren met dezelfde materialen en productieprocessen als voor de uiteindelijke onderdelen. Deze prototypes kunnen vervolgens worden gebruikt voor toepassingen zoals bèta- en veldtesten. Door 3D-geprinte matrijzen te combineren met spuitgieten, kunnen fabrikanten snel en efficiënt functionele prototypen ontwikkelen en het productontwikkelingsproces versnellen.

De Franse startup Holimaker ontwikkelt bijvoorbeeld een handmatige spuitgietmachine waarmee ingenieurs en productontwerpers plastic onderdelen op hun desktop in kleine hoeveelheden kunnen verwerken voor prototypes, pilotproductie of zelfs een beperkte serie eindgebruiksonderdelen.

Het bedrijf biedt haalbaarheidsstudies voor hun klanten, met behulp van 3D-geprinte mallen voor een snelle en betaalbare doorlooptijd. Hierdoor kunnen hun klanten snel en betaalbaar prototypeontwerpen maken en de definitieve productievoorwaarden valideren tijdens de proefproductiefase van de introductie van nieuwe producten.

Pre-productie prototypes van deze voetbal stijgijzers werden spuitgegoten in 3D-geprinte mallen met behulp van drie verschillende thermoplasten, POM (180°C), PA 6.6 (270°C), PP (210°C).

Door dezelfde fabricagemethode te gebruiken, inclusief matrijsontwerp en materialen, kunnen deze onderdelen in het veld worden getest en ervoor zorgen dat de ontwerpen klaar zijn om op schaal te worden geproduceerd. De 3D-geprinte matrijsontwerpen kunnen vervolgens tijdens massaproductie eenvoudig worden aangepast voor gereedschapsstaal.

Met behulp van 3D-geprinte matrijzen slaagde Holimaker erin de doorlooptijd voor het produceren van matrijzen voor het spuitgietproces te verkorten tot 24 uur en ze gebruiken tegenwoordig 3D-geprinte spuitgietmatrijzen in 80% tot 90% van hun projecten.

Korte termijn spuitgieten

Spuitgieten op korte termijn biedt fabrikanten de mogelijkheid om kleinere series eindgebruiksonderdelen te produceren voor producten die slechts in beperkte hoeveelheden worden geproduceerd, of om een ​​proefserie van een product te vervaardigen om de markt te testen voordat er te veel kapitaal in de onderneming wordt geïnvesteerd.

Het gebruik van laagvolume spuitgieten biedt de mogelijkheid om nauwkeurige en herhaalbare onderdelen voor eindgebruik te vervaardigen zonder de hoge vaste kosten die gepaard gaan met traditioneel spuitgieten.

Multiplus is een in Shenzhen gevestigde leverancier van spuitgietoplossingen die de hele productiecyclus bestrijkt, van ontwerp tot productie van kunststofproducten en levert diensten aan meer dan 250 klanten per jaar, waaronder enkele Fortune 500-bedrijven. Sommige van deze klanten hebben productie in kleine series nodig, wat traditioneel duur en tijdrovend is bij spuitgieten vanwege de complexiteit van het vervaardigen van hard gereedschap.

Vers spuitgegoten ABS-besturingskastbehuizingen met behulp van 3D-geprinte spuitgietmatrijzen.

Toen de vraag naar productie in kleine series begon te groeien, wendde Multiplus zich tot 3D-printen om verschillende materialen te onderzoeken in een poging een kosteneffectieve manier te vinden om goedkopere plastic mallen te produceren voor kleinere bestellingen en proefproductieruns. Het vervaardigen van laagvolume spuitgietmatrijzen met Formlabs 3D-printers verminderde kosten, arbeid en tijd in vergelijking met het bewerken van aluminium mallen, en kon naadloos worden gebruikt met hun Babyplast industriële spuitgietmachines.

On-demand of aangepast spuitgieten

Op maat of snel on-demand spuitgieten kan nodig zijn om op maat gemaakte eindgebruiksonderdelen te vervaardigen voor specifieke doeleinden, zoals menselijke factoren, toepassing of gelegenheid, vaak in een versneld tijdschema. Door het beperkte volume en/of de korte doorlooptijd is traditioneel spuitgieten met hard tooling niet efficiënt en ook niet haalbaar. In deze gevallen is laagvolume spuitgieten met 3D-geprinte mallen een ideale oplossing om het proces te versnellen en onderdelen op maat te leveren.

Het voorbeeld van Braskem, een van 's werelds toonaangevende petrochemische bedrijven, benadrukt de argumenten voor het gebruik van 3D-geprinte gietvormen om snelle bestellingen on-demand uit te voeren. Tijdens de eerste golf van de COVID-19-pandemie moest het bedrijf duizenden maskerbandjes produceren om zijn wereldwijde personeelsbestand te beschermen. Braskem identificeerde spuitgieten als de ideale methode om de onderdelen te produceren, maar zonder toegang tot 3D-printen hadden ze een dure metalen mal moeten uitbesteden, wat het team geld en kostbare tijd zou kosten.

Braskem gebruikte een 3D-geprinte mal in combinatie met een traditionele industriële spuitgietmachine om de maskerriemen snel te spuitgieten.

Het team van Braskem ging over op spuitgieten met behulp van een Formlabs Form 3 3D-printer om de mal voor de riemen te printen en de volledig elektrische Cincinnati Milacron 110 Ton Roboshot-spuitgietmachine om de riemen te ontwikkelen.

Door gebruik te maken van 3D-printen, produceerde het team duizenden banden binnen een week na ontvangst van de e-mail van de VP en bereidde deze voor op verzending naar kantoren over de hele wereld.

Aan de slag met laagvolume spuitgieten

Versnel productontwikkeling, verlaag kosten en doorlooptijden en breng betere producten op de markt door 3D-printen en laagvolume spuitgieten in uw ontwikkelingsproces op te nemen.