Hoe 3D-printen vormgeving verbetert: voordelen en innovaties

Traditioneel zijn de meest gebruikte productieprocessen in de industrie ingedeeld in twee hoofdcategorieën: aftrekkende productie, voornamelijk vertegenwoordigd door CNC-bewerking, en formatieve of vormgevende productie, vertegenwoordigd door injectiegieten en lost-wax gieten. Beide groepen hebben tot vandaag samengeleefd, en de keuze voor de ene of de andere heeft voornamelijk afhangen van de complexiteit van het onderdeel, het gekozen materiaal of het productievolume.

In de laatste tijd heeft in de industrie een derde groep een gat weten te slaan tot het samenbestaan met de vorige twee: additieve productie of 3D-printen. Behalve in heel specifieke gevallen of toepassingen, kunnen zowel aftrekkende als additieve en formatieve productie momenteel een groot aantal gemeenschappelijke materialen aan en zijn ze in staat om hoog complexe onderdelen te produceren. Dit is de reden waarom vaak het selectiecriterium voor de ene of de andere voornamelijk gebaseerd is op de productiekosten.

Afbeelding 1: Stukkostenkurven gebaseerd op productievolume. Bron: 3Dhubs.com

Bij lage of middelgrote productievolumes kan vormgeving niet concurreren met additieve productie en CNC-bewerking, voornamelijk door de hoge afschrijvingskosten van apparatuur en de noodzaak van dure vormen. Echter, wanneer het gaat om massaproductie, is vormgeving de onbetwiste koning.

Vormgeving door gieten vereist de fabricage van vormen voor injectiegieten, en offerwassen negatieven in het geval van lost-wax gieten, die op hun beurt ook vormen of CNC-methoden vereisen voor hun productie. En daarom is CNC-bewerking nog steeds noodzakelijk zelfs in formatieve gietprocessen, aangezien het traditioneel de meest gangbare methode is in de productie van herbruikbare vormen.

Afbeelding 2: Injectievorm. Bron: https://commons.wikimedia.org/

Afbeelding 3: Wasmodel voor lost-wax gieten. Bron: https://commons.wikimedia.org/

Maar wat kan 3D-printen aan vormgeving toevoegen?

Lost-wax gieten (Investment Casting)

Lost-wax gieten bestaat uit het aanbrengen van een keramische coating op een offerwasmodel en het calcineren ervan om zo de vorm te verkrijgen. Het is een proces wijd gebruikt in de fabricage van gegoten mechanische componenten vanwege de hoge precisie en het feit dat het de productie van hoog complexe vormen toestaat.

Het grootste nadeel van dit proces is dat de vorm vernietigd wordt bij het verwijderen van het onderdeel, zodat het noodzakelijk is om voor elk onderdeel een wasmodel en een vorm te creëren.

Video 1: Lost-wax gietproces. Bron: Niagara Investment Castings

Om de wasmodellen te produceren, is een permanente vorm vereist, doorgaans gefreesd uit aluminium met CNC. Dit betekent dat voor lage productievolumes de kosten exploderen. Een ander alternatief is CNC-bewerking te gebruiken om de wasmodellen te produceren in het geval van prototypes of productie van weinig eenheden, maar hoewel de kosten reduceren, vereist het dure apparatuur en heeft het bepaalde beperkingen wat complexe onderdelen betreft.

Hier kan 3D-printen een paradigmaverschuiving betekenen. Aan de ene kant maakt de ontwikkeling van nieuwe gietbare materialen voor zowel SLA- als FDM-printen het mogelijk om traditionele wasmodellen te vervangen door 3D-geprinte polymere modellen. Dit brengt een reeks voordelen met zich mee, niet alleen op het niveau van de productiekosten van de modellen, maar ook in tijdsbesparing en vlugheid bij het introduceren van nieuwe producten of het corrigeren van defecten. Bovendien hebben de modellen geproduceerd met 3D-printen een veel hogere weerstand dan was, wat de mogelijkheid minimaliseert om ze te breken of defecten te veroorzaken tijdens de behandeling.

Vandaag de dag hebben praktisch alle harsfabrikanten hoogwaardige gietbare materialen zoals Formlabs gietbare hars of Uniz ZWax. Dit heeft ertoe geleid dat 3D SLA-printen in sectoren als juwelen grotendeels het gebruik van was heeft vervangen, waar het gebruik van printers zoals de Form 3 gangbaar is.

Afbeelding 3: 3D-geprinte juwelenmodellen voor lost-wax gieten. Bron: Formlabs

Ondanks dit, in andere sectoren als de industrie, zijn wasmodellen nog steeds gebruikelijk, misschien door de noodzaak van grote modellen. Vandaag de dag maakt het verschijnen van SLA-printers met groot volume zoals de Form 3L of UniZ zSLTV, evenals de ontwikkeling van gietbare filamenten zoals PolyCast, de groottebeperking steeds minder en kunnen industriële sectoren profiteren van de voordelen van het substitueren van 3D-modellen voor wasmodellen.

Video 2: Gebruik van Polycast Filament. Bron: Polymaker.

Echter, de productie van wasmodellen wordt ook beheerst door de grafiek in figuur 1, waarbij een punt bereikt wordt waar de kosten van het maken van wasmodellen met een vorm rendabeler zijn dan het produceren van de modellen door 3D-printen. En zelfs hier heeft 3D-printen nog veel te bieden. De lage smelttemperatuur van was betekent dat traditionele aluminium- of staalvormen vervangen kunnen worden door 3D-geprinte vormen, met de significante besparing in economische en temporale kosten die dit inhoudt.

Afbeelding 4: Form 3L. Bron: Formlabs

Injectiegieten

Injectiegieten is een formatief productieproces waarbij gesmolten kunststof in een ontneembare vorm geïnjecteerd wordt en daarin afkoelt en uithardt.

Traditioneel werd het gebruik van 3D-printen in de fabricatie van injectievormen als onuitvoerbaar beschouwd. Dit was voornamelijk door twee redenen: de lage thermische weerstand van de polymeren gebruikt in 3D-printen en de inherente oppervlakteruwheid van metaal SLS 3D-printen.

Vandaag de dag kan 3D-printen CNC-gefreesde vormen voor injectie niet volledig vervangen, echter de ontwikkeling van SLA 3D-printmaterialen met hoge thermische en mechanische weerstand heeft de deur geopend voor het gebruik van 3D-geprinte vormen.

Een voorbeeld is Formlabs High Temp hars, in staat om temperaturen van bijna 300 °C te weerstaan onder een druk van 0,45 MPa. De hoge thermomechanische eigenschappen, samen met de hoge resolutie en uitstekende oppervlakteafwerking van SLA-technologie, maken het een ideaal materiaal voor de fabricage van vormen.

Afbeelding 5: Injectievorm gemaakt met 3D SLA-printen. Bron: 3Dhubs

Om deze reden kan 3D-printen een uitstekende aanvulling zijn in de productie van injectievormen. Aan de ene kant staat het de productie van economische vormen voor kleine series toe, en aan de andere kant helpt het het ontwerp van de metalen vormen te verifiëren voordat ze gefreesd worden. Het laatste is van groot belang, aangezien het corrigeren van een defect in een gefreesde vorm freesprocessen vereist en zelfs de complete vrijmaking van een nieuwe vorm, wat leidt tot een significante kostenstijging en een vertraging in de productie.

Silicone en thermovormvormen

Silicone en thermovormvormen zijn eenvormige vormen die wijd gebruikt worden in bakkerij, keuken, juwelen of cosmetica.

Het gaat om zeer economische vormen en van zeer eenvoudige fabricage. Ze zijn flexibel of half-flexibel om demoulding te vergemakkelijken, voornamelijk gebruikt met niet-smeltende of laag-temperatuur smeltende materialen zoals chocolade, harsen, cementen, etc.

Afbeelding 6: Siliconenvormen. Bron: wikipedia

Afbeelding 7: Thermovormvorm. Bron: Mayku

Ze zijn misschien het meest gangbare type vorm en een die we allemaal ooit gebruikt hebben, bijvoorbeeld om ijsblokjes, chocolades of muffins te maken.

Echter, hun gebruik is niet beperkt tot huishoudelijk bakwerk, maar ze worden wijd gebruikt in juwelen om harsjuwelcomponenten te maken, of in kunst en decoratie om elementen in cement en gips te produceren.

Ondanks dat de fabricage heel eenvoudig is, is de enigste manier om de vormen te maken om een origineel model te hebben om als sjabloon te gebruiken, en hier wordt 3D-printen nuttig.

3D-printen biedt de mogelijkheid om aangepaste modellen snel en goedkoop te verkrijgen om als sjabloon te gebruiken in de productie van silicone en thermovormvormen. Dit, samen met de beschikbaarheid van goedkope thermovormapparatuur zoals de Mayku Formbox, maakt het mogelijk voor kleine banketbakkerijen, juweliers en ambachtslieden om hun eigen gepersonaliseerde vormen eenvoudig en goedkoop te produceren, wat meerwaarde geeft aan hun producten.

Video 3: Thermovormen met Mayku Formbox. Bron: Mayku

3D-printen is niet alleen een nuttig hulpmiddel om kosten te verlagen bij lage productievolumes, maar zelfs in grote producties, waar het gebruik van vormen essentieel is, heeft 3D-printen zich bewijzen als een heel nuttige technologie die kan helpen bij hun fabricage of in sommige gevallen ze zelfs kan vervangen.