Laag-volume Injectiegieten: Een Bewezen 3D-printgids voor Kosteneffectieve Prototypes

Terwijl injectiegieten traditioneel beschouwd wordt als een fabricageproces alleen voor massaproductie door de hoge toolingkosten, kan het benutten van 3D-printen om injectiegieten te fabriceren je in staat stellen om dit proces te gebruiken om hoge-kwaliteit en herhaalbare onderdelen voor prototyping en laag-volume productie te produceren.

In deze uitgebreide gids, leer hoe je 3D-geprinte injectiegieten kunt gebruiken met zowel benchtop als industriële machines om efficiënt en betaalbaar honderden functionele prototypes en onderdelen te produceren die productontwikkeling versnellen, kosten en levertijden reduceren, en betere producten naar de markt brengen.

Laag-volume Injectiegieten vs. Traditionele Injectiegieten

Injectiegieten is een van de toonaangevende processen voor het fabriceren van kunststoffen. Het is een kosteneffectieve en extreem herhaalbare technologie die hoge-kwaliteit onderdelen levert voor grote serieproductie. Als resultaat wordt het breed gebruikt voor massaproductie van identieke onderdelen met strakke toleranties.

Injectiegieten is een snel, intens proces waar hoge hitte en druk betrokken zijn om gesmolten materiaal in een giet te injecteren. Het gesmolten materiaal hangt af van het bereik van het fabricageproject. De meest populaire materialen zijn diverse thermoplasten, zoals ABS, PS, PE, PC, PP, of TPU, maar metalen en keramiek kunnen ook geinjecteerd worden. De giet bestaat uit een kaviteit die het geïnjecteerde gesmolten materiaal accommodeert en ontworpen is om de finale features van een onderdeel nauwkeurig na te bootsen.

De gieten worden traditioneel gemaakt van metaal door CNC-bewerking of elektrisch-ontladingsbewerking (EDM). Dit zijn dure industriële methoden die gespecialiseerde apparatuur, high-end software en geschoolde arbeid vereisen. Als resultaat duurt de productie van een metalen giet typisch vier tot acht weken en kost ergens tussen $2.000 en $100.000+ afhankelijk van de vorm en complexiteit van het onderdeel. Voor kleinere hoeveelheden onderdelen, maken de kosten, tijd, gespecialiseerde apparatuur en geschoolde arbeid die vereist zijn om de giet uit gangbare tooling-metalen en fabricagemethoden te fabriceren, injectiegieten op deze schaal vaak onbereikbaar. Er zijn echter alternatieven voor het bewerken van gieten uit metaal. Het benutten van in-house 3D-printen om injectiegieten te fabriceren voor prototyping en laag-volume productie verlaagt kosten en tijd significant vergeleken met metalen gieten, terwijl nog steeds hoge-kwaliteit en herhaalbare onderdelen geproduceerd worden.

In deze video hebben we samengewerkt met injectiegiet-dienstverlener Multiplus om je door de stappen van het injectiegietproces te leiden met 3D-geprinte gieten.

Desktop 3D-printen is een krachtige oplossing om injectiegieten snel en tegen lage kosten te fabriceren. Het vereist heel beperkte apparatuur, besparend CNC-tijd en geschoolde operators voor andere hoge-waarde taken. Fabrikanten kunnen profiteren van de snelheid en flexibiliteit van in-house 3D-printen om de giet te creëren en het te koppelen met de productiekracht van injectiegieten om een serie units van gangbare thermoplasten in een kwestie van dagen te leveren. Ze kunnen zelfs ingewikkelde gietvormen bereiken die traditioneel moeilijk te fabriceren zouden zijn en kunnen gebruikt worden op zowel desktop als industriële gietmachines, wat ontwikkelteams in staat stelt om meer innovatief te zijn. Verder profiteert productontwikkeling van de mogelijkheid om te itereren op het ontwerp en het eindgebruiksmateriaal te testen voordat er geïnvesteerd wordt in harde tooling.

Zelfs al kan 3D-printen van gieten deze voordelen bieden wanneer op de juiste manier gebruikt, zijn er nog steeds enkele beperkingen om je bewust van te zijn. We moeten niet dezelfde prestaties verwachten van een 3D-print polymere giet als van een bewerkte metalen. Kritieke dimensies zijn moeilijker te halen, afkoeltijd is langer omdat warmteoverdracht langzamer plaatsvindt in kunststof, en geprintte gieten kunnen makkelijker breken onder hitte en druk. Toch implementeren bedrijven over de hele industrie 3D-geprinte gieten in hun short-run injectiegiet-workflows, wat hen in staat stelt om honderden tot duizenden onderdelen snel te produceren. Van het ontwerpen van functionele prototypes met eindgebruiksmaterialen, het fabriceren van onderdelen tijdens pilotproductie, of het produceren van laag-volume of custom eindgebruiksonderdelen, is 3D-printen van injectiegieten een kosteneffectieve en snelle manier om onderdelen in beperkte hoeveelheden te produceren.

Stereolithografie (SLA) 3D-printtechnologie is een geweldige keuze voor gieten. Het wordt gekenmerkt door een gladde oppervlakteafwerking en hoge precisie die de giet zal overdragen aan het eindonderdeel en wat ook demolding vergemakkelijkt. 3D-prints geproduceerd door stereolithografie zijn chemisch gebonden zodat ze volledig dicht en isotrop zijn, functionele gieten producerend op een kwaliteit niet mogelijk met fused deposition modeling (FDM) 3D-printen. Desktop SLA-printers, zoals die aangeboden door Formlabs, kunnen naadloos geïntegreerd worden in elk injectiegiet-workflow omdat ze gemakkelijk te implementeren, bedienen en onderhouden zijn.

Een 3D-geprint injectiegietkern geassembleerd met een metalen gietmantel.

Als alternatief voor mid-volume productie van ongeveer 500 tot 10.000 onderdelen, kan het bewerken van gieten uit aluminium ook de vaste kosten die geassocieerd zijn met het fabriceren van gieten reduceren. Het bewerken van aluminium is vijf tot tien keer sneller dan staal en veroorzaakt minder slijtage aan de tooling, wat kortere levertijden en lagere kosten betekent. Aluminium geleidt ook sneller warmte dan staal, wat resulteert in minder behoefte aan koelkanalen en fabrikanten in staat stelt om gietontwerpen te vereenvoudigen terwijl korte cyclus tijden behouden blijven.

Kortom, hier is een overzicht van de verschillende injectiegiet-methoden en de giet-types die resulteren in het meest efficiënte proces en de laagste kosten per onderdeel afhankelijk van het productievolume:

Het type injectiepers heeft geen significante invloed op het proces voor laag-volume injectiegieten; traditionele grote industriële injectiegietmachines kunnen ook gebruikt worden met 3D-geprinte injectiegieten. Echter, deze machines zijn duur, komen met strikte faciliteitseisen, en vereisen geschoolde arbeid, en als resultaat, besteedde de meeste ondernemingen mid- en high-volume productie aan dienstverleners en contractfabrikanten.

Als je nieuw bent bij injectiegieten en ernaar kijkt om het te testen met beperkte investering, kan het gebruik van een benchtop handmatige injectiegietmachine zoals de Holipress of de Galomb Model-B100 een goede optie zijn. Geautomatiseerde kleinschalige injectiegietapparatuur zoals de desktop-machine Micromolder of de hydraulische machine Babyplast 10/12 zijn goede alternatieven voor medium-serieproductie van kleine onderdelen.

Nieuwsgierig om te leren over de verschillende factoren die de totale injectiegietkosten vormen? Lees onze uitgebreide gids.

Laag-volume Snel Injectiegieten met 3D-geprinte Gieten

Download ons white paper voor richtlijnen voor het gebruik van 3D-geprinte gieten in het injectiegietproces om kosten en levertijd te verlagen en zie real-life case studies met Braskem, Holimaker, en Novus Applications.

Stap-voor-stap Workflow voor Laag-volume Injectiegieten

De workflow voor laag-volume injectiegieten omvat de volgende zeven stappen:

1. Gietontwerp

Ontwerp de giet voor je onderdeel in de CAD-software naar keuze. Volg gangbare ontwerpregels voor additieve manufacturing en injectegietontwerp. Ontwerpaanbevelingen specifiek voor polymere 3D-geprinte gieten vind je in ons whitepaper.

Upload je ontwerp in PreForm, Formlabs printvoorbereidingsoftware. Bereid je print voor en stuur het naar je Formlabs 3D-printer.

2. Giet 3D-printen

Kies een 3D-printmateriaal en begin je print. Rigid 10K Resin op 50 micron laaghogte is een ideale keuze voor de meeste gietontwerpen omdat het hoge sterkte, stijfheid en thermische weerstand combineert.

Wanneer mogelijk, is het geadviseerd om de giet plat te printen, direct op het build-platform zonder enige supports, om vervorming te reduceren.

Na wassen en na-uitrijping, is je 3D-geprinte giet klaar om geïntegreerd te worden in je injectiegietproces.

3. Gietassemblage

Voorafgaand aan assemblage, kun je kiezen om de giet af te werken om kritieke dimensies te halen met handschuren, desktop of CNC-bewerking.

Het is aanbevolen om de geprintte giet in een standaard metalen frame, of een Master Unit Die, te plaatsen, om te ondersteunen tegen hoge drukken en de levensduur van je geprintte giet te verlengen. Assembleer de 3D-geprinte giet zorgvuldig in het metalen frame. Voeg uitwerppinnen, inserts, zij-actie-onderdelen en andere componenten toe zoals nodig.

Installeer de geassembleerde giet in je injectiegietmachine.

4. Gietspannen

Voeg de kunststof-pellets toe, voer de vereiste instellingen in, en begin met productie. Een lagere spankracht wordt gesuggereerd, met name als de geprintte giet niet beschermd is door een metalen frame.

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

5. Injectie

Het kan een paar shots kosten om je ideale procescondities te identificeren aangezien veel factoren spelen inclusief onderdeelgeometrie, keuze van kunststof, injectietemperaturen en drukken, en andere parameters.

Reduceer injectiedruk en temperatuur zoveel mogelijk.

Met één geprintte giet, injecteren Formlabs-gebruikers meestal 100s onderdelen in makkelijk-te-verwerken kunststoffen zoals TPE, PP, en PE met temperaturen tot 250°C. Met kunststoffen die hogere injectietemperatuur vereisen zoals PA of PC, kan de 3D-geprinte giet een kortere levensduur hebben.

Lees onze procescondities-documentatie om testresultaten te zien met zowel desktop als industriële injectiegietmachines.

6. Afkoeling

De afkoeltijd van een polymere geprintte giet is langer dan die van een metalen giet, omdat warmteoverdracht langzamer plaatsvindt in kunststof dan metaal. Als zodanig, is het toevoegen van koelkanalen aan je geprintte giet over het algemeen niet aanbevolen.

In plaats daarvan, kan afkoeling versneld worden door gecomprimeerde lucht toe te passen om de giet te koelen, of wisselbare stacks te gebruiken.

7. Uitvormen

Vorm het onderdeel uit handmatig of automatisch met uitwerppinnen. Pas een losmiddel toe voor thermoplasten met hoge viscositeit. Gietlosmiddelen zijn breed beschikbaar en silicone gietlosmiddelen, zoals Slide of Sprayon producten, zijn compatibel met Formlabs Harsen.

Laag-volume Injectiegiet-toepassingen

De drie hoofttoepassingen voor laag-volume injectiegieten zijn snel prototypen, short-run injectiegieten, en on-demand of custom injectiegieten.

Snel Prototypen met Injectiegieten

Snel prototypen helpt bedrijven ideeën om te zetten in realistische bewijzen van concept, deze concepten vooruit te helpen naar hoge-fideliteits prototypes die eruitzien en werken als eindproducten, en producten te leiden door een serie validatiestages naar massaproductie.

In het algemeen is 3D-printen de meest gangbare manier om snel prototypes te produceren. Echter, in de latere fasen van het ontwikkelproces, is er vaak een behoefte om iets grotere volumes van identieke prototypes te produceren met dezelfde materialen en productieprocessen als voor de eindonderdelen. Deze prototypes kunnen dan gebruikt worden voor toepassingen zoals beta- en veldtesten. Het combineren van 3D-geprinte gieten met injectiegieten stelt fabrikanten in staat om functionele prototypes snel en efficiënt te ontwikkelen en het productontwikkelproces te versnellen.

Bijvoorbeeld, Frans startup Holimaker ontwikkelt een handmatige injectiegietmachine die ingenieurs en productontwerpers in staat stelt om kunststofonderdelen op hun desktop in lage hoeveelheden te verwerken voor prototypes, pilotproductie, of zelfs een beperkte serie eindgebruiksonderdelen.

Het bedrijf biedt haalbaarheidsstudies voor hun klanten, gebruikmakend van 3D-geprinte gieten voor een snelle en betaalbare turnaround. Hierdoor kunnen hun klanten snel en betaalbaar ontwerpen prototypen en finale fabricagecondities valideren tijdens de pilotproductiefase van nieuwe productintroductie.

Pre-productie prototypes van deze voetbalkrampons werden geinjecteerd in 3D-geprinte gieten met drie verschillende thermoplasten, POM (180°C), PA 6.6 (270°C), PP (210°C).

Door dezelfde fabricagemethode te gebruiken inclusief gietontwerp en materialen, kunnen deze onderdelen in het veld getest worden en ervoor zorgen dat de ontwerpen klaar zijn om op schaal geproduceerd te worden. De 3D-geprinte gietontwerpen kunnen dan eenvoudig aangepast worden voor tool-grade staal tijdens massaproductie.

Met 3D-geprinte gieten, wist Holimaker de levertijd voor het produceren van gieten voor het injectiegietproces te verkorten tot 24 uur en ze gebruiken 3D-geprinte injectiegieten in 80% tot 90% van hun projecten vandaag.

Short-run Injectiegieten

Short-run injectiegieten biedt fabrikanten een middel om kleinere series van eindgebruiksonderdelen te produceren voor producten die alleen in beperkte hoeveelheden geproduceerd worden of een pilotserie van een product te fabriceren voor het testen van de markt voordat te veel kapitaal in het project gestort wordt.

Het gebruik van laag-volume injectiegieten biedt de mogelijkheid om accurate en herhaalbare eindgebruiksonderdelen te produceren zonder de hoge vaste kosten geassocieerd met traditionele injectiegieten.

Multiplus is een injectiegiet-oplossingsaanbieder gevestigd in Shenzhen die de hele productiecyclus dekt van ontwerp tot fabricage van kunststofproducten en diensten levert aan meer dan 250 klanten per jaar, inclusief sommige Fortune 500-bedrijven. Sommige van deze klanten vereisen small batch productie, wat traditioneel duur en tijdrovend is met injectiegieten door de complexiteit van het fabriceren van harde tooling.

Vers geïnjecteerde ABS-besturingsbehuizingen met 3D-geprinte injectiegieten.

Naarmate de vraag naar small batch productie begon te groeien, keek Multiplus naar 3D-printen om verschillende materialen te verkennen in een poging om een kosteneffectieve manier te vinden om goedkopere kunststofgieten voor kleinere orders en pilotproductieruns te produceren. Het fabriceren van laag-volume injectiegieten met Formlabs 3D-printers verlaagde kosten, arbeid en tijd vergeleken met het bewerken van aluminiumgieten, en kon naadloos gebruikt worden met hun Babyplast industriële injectiegietmachines.

On-Demand of Custom Injectiegieten

Custom of snelle on-demand injectiegieten kan vereist zijn om gecustomiseerde eindgebruiksonderdelen te fabriceren voor specifieke doeleinden, zoals menselijke factoren, toepassing, of gelegenheid, vaak op een versnelde tijdlijn. Het beperkte volume en/of korte levertijd betekent dat traditionele injectiegieten met harde tooling noch efficiënt noch haalbaar is. In deze gevallen is laag-volume injectiegieten met 3D-geprinte gieten een ideale oplossing om het proces te versnellen en custom onderdelen te leveren.

Het voorbeeld van Braskem, een van de toonaangevende petrochemische bedrijven ter wereld, benadrukt het geval voor het gebruik van 3D-geprinte gieten om snelle orders on-demand te vervullen. Tijdens de eerste golf van de COVID-19-pandemie, had het bedrijf duizenden maskerbanden nodig om zijn wereldwijde werknemers te beschermen. Braskem identificeerde injectiegieten als de ideale methode om de onderdelen te produceren, maar zonder toegang tot 3D-printen, zouden ze een dure metalen giet moeten uitbesteden, wat het team geld en waardevolle tijd zou kosten.

Braskem gebruikte een 3D-geprinte giet in combinatie met een traditionele industriële injectiegietmachine om de maskerbanden snel te injecteren.

Braskem's team keerde zich toe tot injectiegieten met een Formlabs Form 3 3D-printer om de giet voor zijn banden te printen en de all-elektrische Cincinnati Milacron 110 Ton Roboshot injectiegietmachine om de banden te ontwikkelen.

Door 3D-printen te benutten, produceerde het team duizenden banden binnen een week na ontvangst van de VP's e-mail en voorbereidde ze voor verzending naar kantoren over de hele wereld.

Aan de slag met Laag-volume Injectiegieten

Versnel productontwikkeling, verlaag kosten en levertijden, en breng betere producten naar de markt door 3D-printen en laag-volume injectiegieten in je ontwikkelproces te integreren.