Stapsgewijze handleiding voor het bouwen van 3D-geprinte spuitgietmatrijzen

Spuitgieten is een populair productieproces dat wordt gebruikt om onderdelen in grote volumes met een consistente kwaliteit te maken. Het proces omvat het injecteren van gesmolten plastic in de holte van een mal in de vorm van het laatste onderdeel, dat meestal van metaal is gemaakt. Zoals iedereen die bekend is met het proces u zal vertellen, kan de traditionele methode voor het maken van mallen tijdrovend en duur zijn, en niet echt de moeite waard voor kleine series of op maat gemaakte onderdelen. Maak kennis met 3D-geprinte mallen:een goedkoper en sneller alternatief, ideaal voor productie in kleine volumes en prototyping.

1. Maak het CAD-ontwerp

Begin met het maken van het matrijsontwerp in CAD-software, waarbij u rekening houdt met de geometrie van het onderdeel, de materiaalkeuze, de locatie van de poort en de koelkanalen. Kies een hittebestendig, stijf materiaal dat de injectiedruk kan weerstaan, en ontwerp de mal zo dat steuncontact tot een minimum wordt beperkt voor een gladdere afwerking. Het toevoegen van ventilatieopeningen helpt defecten zoals ingesloten lucht te voorkomen, en koelkanalen versnellen de productie. 

2. Exporteer het CAD-ontwerpbestand

Zodra het ontwerp definitief is, exporteert u het als een STL-bestand, het standaardformaat voor 3D-printen. Andere ondersteunde bestandstypen zijn FBX, OBJ, 3MF, PLY, G-Code, X3G en AMF.

3. 3D Print de spuitgietmatrijs

Importeer het STL-bestand in 3D-printsoftware en kies een printmethode op basis van kosten, sterkte en oppervlakteafwerking. FDM (Fused Deposition Modeling) is een kosteneffectieve methode, maar vereist mogelijk schuren of chemisch egaliseren. Voor gladdere mallen met veel details is SLA/DLP (Stereolithography/Digital Light Processing) het beste, terwijl je met materiaaljetting mallen met meerdere materialen/kleuren en fijne details kunt creëren. Voor sterke mallen met een goede oppervlaktekwaliteit kunt u nylon gebruiken met het SLS-proces (Selective Laser Sintering).

Eenmaal geprint, moet de mal worden vastgezet in een metalen malbasis voor ondersteuning tijdens het spuitgieten. Dit kan worden gedaan met malinzetstukken in een aluminium frame, die nauwkeuriger zijn, defecten zoals kromtrekken verminderen en een gelijkmatige drukverdeling garanderen, of volledig 3D-geprinte mallen die geen frame nodig hebben. Deze vereisen echter meer materiaal, waardoor zowel de kosten als het risico op kromtrekken toenemen.

5. Start het spuitgietproces

Zodra de mal op het metalen frame is bevestigd, is deze klaar voor het spuitgietproces. Tijdens het spuitgietproces wordt de mal dichtgeklemd en wordt gesmolten materiaal via de aanspuitbus in de mal gespoten. De vloeistof vult de vormholten en neemt de vorm aan van het te vervaardigen onderdeel. Nadat het materiaal is afgekoeld en gestold, wordt de mal geopend en wordt het onderdeel verwijderd.

Wat zijn 3D-geprinte mallen voor spuitgieten?

Mallen vormen gesmolten plastic om tot eindproducten, die de vorm en afwerking van de holte van de mal aannemen. Het maken van deze mallen via 3D-printen was een game-changer. In tegenstelling tot CNC-bewerkingen heeft 3D-printen geen gespecialiseerde expertise nodig, waardoor de arbeidskosten dalen. De gebruikte materialen (meestal plastic) zijn veel goedkoper dan aluminium of staal, en de totale kosten kunnen tot 90% lager zijn dan die van traditionele mallen. Terwijl het maken van traditionele mallen weken of maanden (ja, maanden!) kan duren, kunnen zelfs de meest complexe 3D-geprinte mallen binnen enkele dagen klaar zijn. Dit betekent dat eventuele wijzigingen snel en eenvoudig kunnen worden doorgevoerd voordat u de productie opschaalt. Hoewel 3D-geprinte mallen een kortere levensduur hebben, kunnen ze, afhankelijk van het materiaal, toch tot 10.000 onderdelen maken. 

3D-geprinte mallen zijn het meest geschikt voor componenten tot 164 cm³ (metalen mallen winnen deze ronde omdat ze veel grotere onderdelen kunnen bevatten). Een ander gebied waarop metalen mallen superieur zijn, is de duurzaamheid:3D-geprinte mallen hebben de neiging om te worstelen onder de hoge temperaturen en druk van spuitgieten. Ze zijn ook gevoelig voor krimpen en kromtrekken tijdens het afkoelen, wat vooral hinderlijk is voor onderdelen met nauwe toleranties. Over het algemeen hebben polymeren een lagere thermische geleidbaarheid dan metaal, dus 3D-geprinte mallen vertragen het spuitgietproces (hoewel het maken van de mal ongetwijfeld veel sneller gaat). Kortom, u wilt vasthouden aan uw metalen mallen voor productie met hoge precisie en grote volumes.

Wat zijn de voordelen van 3D-geprinte mallen voor spuitgieten?

3D-geprinte mallen bieden verschillende voordelen ten opzichte van mallen gemaakt met traditionele productiemethoden, waaronder:

1. Kosteneffectiviteit: Voor de meeste toepassingen zijn 3D-geprinte spuitgietmatrijzen kosteneffectiever dan die welke met traditionele methoden zijn gemaakt. De plastic materialen die worden gebruikt om de bedrukte mallen te maken, zijn goedkoper dan het aluminium en staal dat wordt gebruikt voor conventionele mallenfabricagetechnieken. Bovendien is 3D-printen een snelle en goedkope manier van matrijzenproductie in vergelijking met de CNC-bewerking die traditioneel wordt gebruikt voor matrijzenbouw. 
2. Gebruiksgemak: Er is geen gespecialiseerde expertise vereist om een spuitgietmatrijs te printen met behulp van 3D-printtechnologie. Dit verlaagt de arbeidskosten die gepaard gaan met conventionele matrijsproductieprocessen, b.v. CNC-machines. 
3. Geschikt voor productie met een laag volume: 3D-geprinte mallen zijn beter geschikt voor productie in kleine volumes dan CNC-gefreesde mallen.  Met 3D-printen is het mogelijk om tot 10.000 onderdelen te produceren, afhankelijk van het materiaal dat wordt gebruikt om de mal te printen. De kosten kunnen ook tot 90% lager zijn dan die voor metalen mallen. Ook zijn de initiële investeringskosten voor 3D-printers lager en zijn de matrijsmaterialen (bijvoorbeeld kunststoffen) goedkoper. 
4. Flexibel matrijsontwerpproces: Het veelzijdige karakter van 3D-printtechnologie biedt grote flexibiliteit bij het ontwerpen van mallen. Matrijsontwerpers en -fabrikanten kunnen eenvoudig matrijzen maken en aanpassen met behulp van 3D-printen. Op kunststof gebaseerd 3D-printen is ideaal voor situaties waarin lage kosten en korte doorlooptijden essentieel zijn, maar ook voor prototyping. Hierdoor kunnen bedrijven sneller itereren en testen voordat ze overstappen op traditionele tools voor grootschalige productie.
5. Snelle levering: Naast de hoge kosten hebben aluminium of stalen mallen een lange doorlooptijd. Zo kan de productie van een complex stalen gereedschap voor spuitgieten enkele maanden duren, terwijl een aluminium matrijs enkele weken kan duren. Daarentegen kan een 3D-geprinte mal, zelfs een complexe mal, binnen enkele dagen worden geprint en voorbereid, wat een aanzienlijk kortere doorlooptijd oplevert. 

Wat zijn de nadelen van 3D-geprinte mallen voor spuitgieten?

3D-geprinte plastic mallen voor spuitgieten hebben wel een aantal nadelen, waaronder:

1. Krimpdefecten en kromtrekken: Tijdens het afkoelen kunnen 3D-geprinte mallen krimpen en kromtrekken, wat problemen kan veroorzaken bij producten met nauwe toleranties. Dit kan defecten in de matrijs tot gevolg hebben en de kwaliteit van het eindproduct aantasten.
2. Experimenteren kunnen leiden tot verspilling: Hoewel 3D-printen eenvoudige ontwerpaanpassingen mogelijk maakt, bestaat de mogelijkheid dat er defecten in de matrijs optreden die pas aan het einde van het printproces worden opgemerkt, wat tot meer verspilling leidt. Hoewel het mogelijk is om het afval te recyclen, kan dit nog steeds een nadeel zijn in termen van tijd en middelen.
3. Groottebeperkingen: Als het om maatbeperkingen gaat, zijn 3D-geprinte matrijsinzetstukken het meest geschikt voor kleine componenten met een volume tot 164 cm3. Machinaal bewerkte metalen mallen hebben daarentegen een grotere capaciteit en kunnen gemakkelijk onderdelen van maximaal 966 cm3 bevatten voor spuitgieten.
4. Degradatie: Een nadeel van 3D-geprinte inzetstukken is hun beperkte vermogen om de hoge temperaturen te weerstaan die gepaard gaan met spuitgieten, vooral bij gebruik van hogetemperatuurpolymeren. Na verloop van tijd kunnen de extreme omstandigheden tijdens het gietproces degradatie en vervorming van de 3D-geprinte inzetstukken veroorzaken, waardoor ze ongeschikt worden voor productie in grote volumes. 
5. Langere koeling: Hoewel de productietijd voor 3D-geprinte mallen over het algemeen sneller is dan bij traditionele gereedschapsmethoden, kan het spuitgietproces zelf langer duren. Dit komt door de lagere druk- en temperatuurbestendigheid van 3D-geprinte mallen vergeleken met metalen mallen. De thermische geleidbaarheid van de polymeren is ook een probleem. Als gevolg hiervan neemt de cyclustijd voor spuitgieten toe, wat leidt tot hogere productiekosten en een lagere productie-output.

Hoe belangrijk is de matrijs voor spuitgieten?

De matrijs is een cruciaal onderdeel van het spuitgietproces. Het is verantwoordelijk voor het vormgeven van het gesmolten kunststofmateriaal in de gewenste vorm, waardoor het een cruciale factor is bij het bepalen van de uiteindelijke kwaliteit van het spuitgietproduct. De mal bepaalt de geometrie, oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid van het product, waardoor het een essentieel element is bij het bereiken van de gewenste specificaties.

Het ontwerp en de constructie van de matrijs spelen ook een belangrijke rol in de efficiëntie en productiviteit van het spuitgietproces. Een goed ontworpen en goed geconstrueerde matrijs kan de productiesnelheid verhogen, materiaalverspilling verminderen en het risico op defecten in het eindproduct minimaliseren. Een slecht ontworpen of geconstrueerde matrijs kan daarentegen productievertragingen, meer materiaalverspilling en hogere productiekosten veroorzaken.

Waarom zijn 3D-geprinte mallen goedkoper?

3D-geprinte mallen zijn om verschillende redenen goedkoper dan hun traditionele metalen tegenhangers. Ten eerste zijn de materialen die worden gebruikt voor 3D-printen, zoals thermoplastische kunststoffen en fotopolymeren, goedkoper dan traditionele materialen voor het maken van mallen, zoals staal of aluminium. Ten tweede is het 3D-printproces over het algemeen sneller dan traditionele matrijzenmaakprocessen, zoals CNC-bewerking of gieten, waardoor de totale productietijd en -kosten afnemen. Ten derde elimineert 3D-printen de behoefte aan gespecialiseerde gereedschappen en apparatuur, die kostbaar kunnen zijn in aanschaf en onderhoud. Ten slotte maakt 3D-printen de productie mogelijk van complexe geometrieën die moeilijk of onmogelijk te realiseren zijn met traditionele methoden voor het maken van mallen, waardoor de behoefte aan dure secundaire bewerkingen wordt verminderd. 

Wat zijn de factoren waarmee u rekening moet houden bij het gebruik van 3D-geprinte mallen voor spuitgieten?

Het succes van het spuitgietproces hangt grotendeels af van de kwaliteit van de 3D-geprinte mal, dus er zijn een paar dingen waarmee u rekening moet houden wanneer u deze maakt. Ten eerste moet het vormmateriaal bestand zijn tegen hoge temperaturen en druk zonder krom te trekken of te smelten, dus kies verstandig. Het ontwerp van de mal is net zo belangrijk. Een uniforme wanddikte helpt kromtrekken en defecten te voorkomen, terwijl het vermijden van scherpe hoeken spanningspunten vermindert en de duurzaamheid verbetert. De locatie van de poort moet worden geoptimaliseerd om een ​​goede materiaalstroom te garanderen, en er moeten runnersystemen worden ingebouwd om te voorkomen dat er flitsen of overtollig materiaal uit de mal ontsnapt. Tweaks zoals het aanpassen van de klemkracht en injectiedruk kunnen de resultaten verder verbeteren. 

Oppervlaktekwaliteit is ook een belangrijke overweging. 3D-geprinte mallen hebben doorgaans een ruwer oppervlak dan aluminium of stalen mallen. Dit kan de textuur van het eindproduct beïnvloeden en kan nabewerking vereisen om een ​​gladdere afwerking te verkrijgen. Voor onderdelen die een hoogwaardig oppervlak vereisen, zijn metalen mallen de betere keuze. Het verfijnen van de oppervlakteafwerking minimaliseert de ruwheid en verbetert de kwaliteit van het onderdeel. Ten slotte maken trekhoeken van 1,5° tot 2° het uitwerpen van onderdelen gemakkelijker en voorkomen ze schade aan het vormstuk, waardoor zowel de levensduur van de matrijs als de productkwaliteit worden verbeterd. Voordat de matrijs volledig wordt geproduceerd, moet deze grondig worden getest en gevalideerd om eventuele ontwerpfouten of zwakke punten te vinden, zodat u de aanpassingen kunt maken voordat u doorgaat met de productie. Je zult ook een mal moeten kiezen die past bij de schaal van het onderdeel dat je wilt maken.

Wat zijn de andere soorten spuitgietprocessen?

Er zijn verschillende soorten spuitgiettechnieken. Sommige van deze technieken worden vermeld en besproken in de volgende secties: 

1. Gasondersteund spuitgieten

De uitdaging bij het produceren van dikke spuitgietonderdelen uit kunststof is dat ze tijdens het afkoelen kunnen kromtrekken. Gasondersteund spuitgieten biedt een oplossing voor dit probleem door gas, meestal stikstof, te injecteren in een spuitgietmatrijs gevuld met kunststofmateriaal. Hierdoor blijft het plastic aan de buitenkant van de mal glad en afgewerkt, terwijl de binnenkant poreus of hol wordt. Dit voorkomt dat het onderdeel vervormt tijdens het koelproces en verlaagt de kosten van het onderdeel door de hoeveelheid gebruikte materiaal te verminderen. Het wordt gebruikt voor het maken van onderdelen met dikke wanden en complexe geometrieën, waardoor het materiaalverbruik en de cyclustijden worden verminderd en de kwaliteit van de onderdelen wordt verbeterd. Dit proces kan duurder zijn in vergelijking met andere spuitgiettechnieken. 

2. Unieke materiaalformuleringen

Het gebruik van unieke materiaalformuleringen verbetert de vormmogelijkheden. Spuitgietbedrijven kunnen verschillende additieven, vulstoffen en gespecialiseerde materialen gebruiken om onderdelen op maat te maken met unieke eigenschappen, zoals elektrische geleidbaarheid, biocompatibiliteit of vlamvertraging. 

3. Metaalspuitgieten

Metaalspuitgieten (MIM) maakt gebruik van een combinatie van metaalpoeder en bindmiddel als injectiegrondstof. Het mengsel wordt verwarmd tot boven het smeltpunt van het bindmiddel, zodat het mengsel onder druk in de mal kan stromen. Wanneer de binder afkoelt, wordt het "groene" deel uitgeworpen. Het bindmiddelmateriaal wordt uitgebrand en vervolgens wordt het resterende metaal bij een geschikte temperatuur gesinterd om zijn uiteindelijke vorm te bereiken. De techniek is duurder dan kunststofspuitgieten en wordt doorgaans gebruikt in gespecialiseerde toepassingen. Metaalspuitgieten wordt bijvoorbeeld in de mobiele telefoonindustrie gebruikt om elektronische componenten te beschermen tegen radio- of microgolfinterferentie.

4. 3D-printen

3D-printen is geen spuitgiettechniek. Het is een methode om rechtstreeks onderdelen te maken met behulp van bepaalde thermoplastische materialen of metalen, door deze laag voor laag op een printbed aan te brengen. Het belang van 3D-printen in de spuitgiettechnologie is dat 3D-printen kan worden gebruikt om de spuitgietmatrijzen te produceren die worden gebruikt om veelvouden van hetzelfde onderdeel te maken. Bovendien kan 3D-printen spuitgietmatrijzen produceren met behulp van plastic of metaal. Plastic 3D-geprinte mallen komen momenteel echter vaker voor dan metalen 3D-geprinte mallen. 

5. Thermoplastisch spuitgieten

Thermohardend kunststof spuitgieten is de meest gebruikte spuitgietmethode. Vloeibaar siliconenrubber en een geschikte katalysator worden in een hete mal geïnjecteerd die het onderdeel in de mal vulkaniseert of de vorm ervan bepaalt. Dergelijke materialen kunnen tijdens het proces niet worden gesmolten en gerecycled. Als u echter een onderdeel nodig heeft dat bestand is tegen hoge temperaturen of chemische middelen, zoals in medische apparaten of auto-onderdelen, moet u mogelijk vloeibare siliconenspuitgieten gebruiken. 

6. Dunwandig lijstwerk

Bij dit type spuitgieten worden kunststof onderdelen gemaakt met wanden die doorgaans dunner zijn dan 1 mm. Dunwandig gieten wordt gebruikt om lichtgewicht onderdelen met grote volumes te produceren waarvoor minimaal materiaalgebruik nodig is. Het vindt toepassingen op verschillende gebieden, zoals:testapparatuur, elektronica, vaten, buizen en andere behuizingen. Om ervoor te zorgen dat de dunwandige geometrie de toepassingsomstandigheden zonder enige gebreken kan doorstaan, moeten kunststofspuitgieters die dunwandige gietstukken uitvoeren nauwgezet rekening houden met elk aspect van het onderdeelontwerp, het matrijsontwerp en de verwerking.

Vaak vragen over 3D-geprinte mallen voor spuitgieten

Kun je mallen 3D-printen voor alle spuitgietmethoden?

Niet helemaal. Hoewel 3D-geprinte mallen geweldig zijn voor prototyping en kleine productieruns, zijn ze niet geschikt voor elke spuitgietmethode, vooral niet voor methoden die hoge precisie, extreme duurzaamheid of grote volumes vereisen. Kunststof 3D-geprinte mallen zijn niet altijd bestand tegen de hoge drukken en temperaturen die bij bepaalde spuitgietprocessen worden gebruikt. Metalen 3D-geprinte mallen zijn sterker, maar hebben nog steeds beperkingen in vergelijking met traditioneel bewerkte stalen mallen.

3D-geprinte mallen worden sneller afgebroken, waardoor ze minder ideaal zijn voor productie in grote volumes. Sommige spuitgiettechnieken vereisen ultragladde of complexe matrijsoppervlakken die 3D-printen niet altijd kan bereiken. Hoewel 3D-geprinte mallen goed werken voor bepaalde toepassingen, zijn traditionele mallen een betere keuze voor processen zoals gasondersteund gieten, metaalspuitgieten (MIM) of thermoplastische materialen op hoge temperatuur.

Welke nabewerking kan worden gedaan op 3D-geprinte spuitgietmatrijzen?

Om de oppervlakteafwerking en nauwkeurigheid van 3D-geprinte mallen te verbeteren, passen veel fabrikanten een aantal nabewerkingstechnieken toe, zoals schuren en polijsten, die kunnen helpen het oppervlak gladder te maken. U kunt ook een beschermende keramische coating op de bedrukte mal aanbrengen om problemen met degradatie door hitte te verminderen en een gladdere afwerking te verkrijgen.

Kun je PLA gebruiken voor spuitgieten?

Helaas niet. Hoewel PLA (polymelkzuur) een populair thermoplastisch materiaal is voor 3D-printen, heeft het een relatief lage smelttemperatuur vergeleken met materialen als ABS, polycarbonaat en nylon. PLA is bros en mist de slagsterkte die nodig is voor spuitgieten, waardoor het onder hoge spanning vatbaar is voor scheuren. Het wordt ook afgebroken bij hoge temperaturen en er kunnen giftige dampen vrijkomen, waardoor het onveilig is voor de omgeving met hoge temperaturen en hoge druk bij spuitgieten.

Kun je mallen voor spuitgieten in 3D printen?

Ja, het is mogelijk om matrijzen voor spuitgieten 3D te printen. 3D-printtechnologie heeft het eenvoudiger en betaalbaarder gemaakt om mallen voor spuitgieten te maken. Het is echter belangrijk op te merken dat 3D-geprinte mallen mogelijk niet geschikt zijn voor alle soorten spuitgietprojecten, vooral niet voor projecten waarbij grote volumes worden geproduceerd of die mallen met hoge precisie of hoge sterkte vereisen. Niettemin kunnen 3D-geprinte mallen een kosteneffectieve en efficiënte optie zijn voor productieruns met een laag volume of prototypes.

Zijn 3D-geprinte mallen die worden gebruikt voor spuitgieten duurder dan traditionele mallen?

Nee. Over het algemeen zijn 3D-geprinte mallen die worden gebruikt voor spuitgieten goedkoper dan traditionele mallen. De kosten van traditionele mallen zijn doorgaans hoog vanwege de gebruikte materialen, de complexiteit van het ontwerp en de betrokken productieprocessen. Aan de andere kant heeft de 3D-printtechnologie de kosten van de matrijsproductie aanzienlijk verlaagd door een aantal van de dure en tijdrovende processen die bij de traditionele matrijsproductie betrokken zijn, te elimineren.

De kosten van 3D-geprinte mallen kunnen variëren, afhankelijk van factoren zoals de grootte en complexiteit van de mal, de gebruikte printtechnologie en de materialen die voor het printen worden gebruikt. Het gebruik van hoogwaardige 3D-printmachines en -materialen kan bijvoorbeeld de kosten van 3D-geprinte mallen verhogen.

Kat de Naoum

Kat de Naoum is een schrijver, auteur, redacteur en contentspecialist uit Groot-Brittannië met meer dan 20 jaar schrijfervaring. Kat heeft ervaring met schrijven voor verschillende productie- en technische organisaties en houdt van de wereld van engineering. Naast schrijven was Kat bijna tien jaar juridisch medewerker, waarvan zeven jaar in de scheepsfinanciering. Ze heeft voor veel publicaties geschreven, zowel print als online. Kat heeft een BA in Engelse literatuur en filosofie, en een MA in creatief schrijven aan de Kingston University.

Lees meer artikelen van Kat de Naoum