3D-geprinte injectiegietvormen: uitgebreid overzicht van ontwerp, voordelen en toepassingen

3D-geprinte gietvormen voor injectiegieten worden steeds populairder in de fabricage-industrie. Het is een geweldige toevoeging aan het injectiegiet-procesportfolio en biedt een competitieve alternatief voor traditionele gietvormmaterialen.

In dit artikel duiken we in wat een 3D-geprinte injectiegietvorm is, de typen, voordelen en beperkingen. Aan het einde delen we ook handige tips en trucs voor gietvormontwerpers en ingenieurs. Laten we beginnen!

Wat is een injectiegietvorm?

Injectiegietvormen zijn arguabel het belangrijkste onderdeel in injectiegiet-setups. De vorm is een multi-part assemblage met een holte erin die een exacte replica is van de eindgeometrie van het product.

Een injectiesysteem pompt gesmolten grondstof in deze holte, waar het afkoelt tot zijn eindvorm. Vervolgens ejekteert een injectiemechanisme, dat ook in de vorm zit, het einddeel. Dus de injectiegietvorm dient het primaire doel van het geven van vorm aan het deel en het ejekteren ervan.

Er zijn talloze eigenschappen die een hoogwaardige injectiegietvorm moet bezitten. Het moet goede thermische stabiliteit hebben om thermische uitrekking te minimaliseren, hoge sterkte om klemkrachten te weerstaan, en goede slijtvasteheid voor duurzaamheid.

3D-printen vorm vs. aluminium vorm

Conventioneel is aluminium het standaardmateriaalkeuze voor het fabriceren van laag-tot-middelvolume productie-injectiegietvormen. Echter, 3D-geprinte gietvormen voor injectiegieten winnen snel terrain door talloze voordelen zoals kostenbesparing en ontvrijheid.

Het hoofddverschil tussen een 3D-geprinte vorm en een aluminium vorm is hoe ze gemaakt worden. Het primaire fabricageproces voor aluminium vormen is CNC-bewerking. 3D-geprinte vormen worden, natuurlijk, gemaakt met 3D-printen.

Het mag misschien een triviaal verschil lijken, maar het is in feite redelijk significant en roept een discussie op over 3D-printen vorm vs. aluminium vorm.

Eerst laten we de twee hoofdtypen 3D-geprinte injectiegietvormen zien.

Metaal-geframeerde versterkte vorm

Dit type injectiegietvorm leent elementen van zowel aluminium vormen als 3D-geprinte vormen. De basise interne structuur inclusief de holte en kanalen is 3D-geprint. Deze 3D-print wordt vervolgens in een aluminiumstructuur geplaatst voor betere stabiliteit en duurzaamheid.

De aluminium frame-versterking stelt hogere gietdrukken toe en verlengt de levensduur van de vorm. Ingenieurs kunnen ook gemakkelijk de 3D-geprinte vormcomponenten vervangen in geval van ontwerpwijzigingen of slijtage.

Zelfstandige vormen

Zelfstandige vormen worden volledig gemaakt door 3D-printen. Naarmate 3D-printen snel robuuster wordt, wint zelfstandig 3D-printen vorm populariteit in de injectiegiet-industrie.

Een groot voordeel van zelfstandige vormen is dat ingenieurs extra ontwerpfreiheid krijgen voor features zoals injectiekanalen, gates, etc.

Voordelen van 3D-geprinte injectiegietvormen

3D-geprinte gietvormen voor injectiegieten genieten talloze voordelen ten opzichte van hun metalen tegenhangers. We belichten enkele van de hoofddvoordelen van het gebruik van een 3D-geprinte vorm.

Kosteneffectief

Het is geen geheim dat kostenbeheer een groot deel is van efficiënte fabricage. Een 3D-geprinte vorm is significant goedkoper dan metalen vormen.

CNC-machines zijn vaak duur en vereisen kostbaar onderhoud. 3D-printers zijn aan de andere kant goedkopere machines en eenvoudig te onderhouden. De kosten van 3D-print-grondstoffen zijn ook lager dan injectiegiet-metalen.

Arbeidskosten verschillen ook voor beide methoden. CNC-machines zijn complexe apparatuur en vereisen een gekwalificeerde werktuigmaker om ze te bedienen. 3D-printers, hoewel niet een wandeling in het park, zijn nog steeds toegankelijker voor een bredere groep technici.

Tijdbesparend

Een ander belangrijk aspect van hoge fabricageproductiviteit is tijdsbeheer. Een groot voordeel van het gebruik van een 3D-geprinte vorm vs. aluminium vorm is de opmerkelijke tijdsbesparing tijdens het vormmakingsproces.

CNC-bewerking is een tijdsintensief proces, soms tot een week durend om een gecompliceerde injectiegietvorm volledig te fabriceren. Het 3D-printproces is veel sneller en heeft minder stappen dan bewerking. De gemiddelde vormmaaktijd is in de orde van enkele uren, wat 3D-geprinte vormen een duidelijke voordelen geeft.

Ontwerpflexibiliteit

3D-printen is bekend om zijn rapid prototyping-capaciteit. Het is snel, goedkoop, en stelt ingenieurs in staat om verschillende ontwerpiteraties te testen.

Deze logica geldt ook voor 3D-printen van gietvormen voor injectiegieten. Vormontwerpers kunnen fouten of knelpunten in het vormontwerp snel elimineren. Bovendien is het ook heel handig om productverbeteringen in de productielijn te verwerken – alles wat het kost is een simpele herprint.

Deze soort ontwerpfreiheid is niet betaalbaar met CNC-bewerking, waar zelfs een enkele productie zwaar op het budget drukt.

Geschikt voor laagvolume injectiegieten

3D-geprinte vormen zijn goed geschikt voor laagvolume-productie-initiatieven. Zoals we kort zullen bespreken, hoewel ze opmerkelijke mechanische eigenschappen bezitten, slijten ze sneller dan hun metalen tegenhangers over tijd.

Dit maakt ze ideaal voor productieruns waar een klein-tot-middel aantal onderdelen geproduceerd wordt. In dergelijke setups is investeren in een dure metalen vorm inefficiënt omdat de vorm aan het einde van de productierun onderbenut blijft.

Bovendien gaat laagvolume-productie gemiddeld meer over productontwikkeling en testen. Het ontwerp kan halverwege de productie veranderen als een update nodig is of een fout wordt gevonden. In dit scenario is een 3D-printvorm ideaal omdat bijwerken zowel kosteneffectief als tijdsbesparend is.

Beperkingen van 3D-geprinte injectiegietvormen

Voor- en nadelen gaan hand in hand. Daarom is deze discussie incompleet als we de nadelen van een 3D-print-injectiegietvorm negeren.

Lage structurele integriteit

3D-printen voordert snel, maar het loopt nog steeds achter conventionele fabricageprocessen als CNC-bewerking in sommige aspecten. Het heeft diverse inherentekwaliteitsissues zoals porositeit en gebrek aan binding die de structurele integriteit van 3D-geprinte gietvormen voor injectiegieten verminderen.

Over het algemeen heeft een 3D-geprinte vorm lagere sterkte, hardheid en slijtvasteheid (vandaar de behoefte aan aluminiumversterkingen). Ze neigen ertoe te faillen onder extreme temperaturen en drukken, die soms nodig zijn om hoogwaardige injectiegietproducten te bereiken.

Als resultaat zijn 3D-geprinte vormen in sommige gevallen geen geschikte vervanging voor gegoten/gesmeedde aluminium vormen.

Oppervlakteslijtage

3D-geprinte gietvormen voor injectiegieten zijn niet zo slijtvaste als metalen vormen. Hun oppervlakkwaliteit verslechtert sneller dan aluminium onder de hoge temperaturen en drukken van injectiegieten. Dit vertaalt zich ook naar het oppervlak van het product.

Daarnaast is 3D-printen van vormen een laag-voor-laag fabricageproces. Hierdoor hebben 3D-geprinte injectiegietvormen een golfpatroon (ook wel de trap-effect genoemd) dat de oppervlakterauwheid van injectiegietonderdelen verhoogt.

Een veelvoorkomende oplossing is het gebruik van oppervlakteafwerkingsmethoden zoals vilen, slijpen of chemische behandeling om de oppervlakkwaliteit van de vorm te verbeteren. Echter, het is een uitdaging om deze operaties op een kleine vorm met complexe geometrie uit te voeren, wat vaak het geval is met 3D-geprinte vormen.

Lange productiecyclus

De afkoeltijd vormt een groot deel van de injectiegiet-productiecyclus. Omdat metalen over het algemeen een hogere thermische geleiding hebben dan de kunststofmaterialen die voor 3D-geprinte vormen worden gebruikt, duurt het langer voordat de gesmolten grondstof verstijft binnen een 3D-geprinte vorm vs. aluminium vorm.

Vanwege dit adviseren we vormingenieurs om de verwachte afkoeltijd voor hun injectiegietvormontwerpen te berekenen voordat ze beslissen over het fabricageproces.

Krimp en vervorming

Krimp en vervorming zijn twee veelvoorkomende 3D-printdefecten die de kwaliteit van een 3D-geprinte injectiegietvorm beïnvloeden. Kunststoffen zijn erg gevoelig voor hitte en neigen tot vervorming (warping) tijdens injectiegieten.

Omdat de vorm zich vervormt, verandert de vorm van de holte, wat de eindafmetingen van het deel beïnvloedt.

In de meeste gevallen kunnen vormontwerpers dit probleem verhelpen door geschikte krimptoelaten in hun vormen te verwerken. Echter, in het geval van 3D-geprinte vormen zijn deze toelaten moeilijk te voorspellen door het niet-uniforme gedrag van 3D-geprinte structuren.

Tips & trucs voor 3D-geprinte injectiegietvormen

We hopen dat de bovenstaande informatie over 3D-geprinte injectiegietvormen voor injectiegieten je kennis over het onderwerp heeft vergroot.

In deze sectie delen we enkele nuttige tips en trucs van onze ontwerpexperts die je helpen je vormontwerpvaardigheden te verbeteren.

Thermische geleiding verbeteren met composietmaterialen

Hoge thermische geleiding verbetert afkoeltijd in injectiegieten. Er zijn diverse geleidingsverhogende additieven beschikbaar op de markt zoals grafene, boornitride, metalen vullers (koperpoeder, aluminiumvlokken), etc.

Oppervlaktecoating

Slechte slijtvasteheid is een groot nadeel van 3D-printvormen. Geschikte oppervlaktecoatingen zoals metaal of keramiek zijn behoorlijk nuttig om de oppervlakte-eigenschappen van 3D-geprinte injectiegietvormen te verbeteren.

Ondersteuningsstructuren vermijden op kritische interne vlakken

De meeste 3D-printtechnieken gebruiken ondersteuningsstructuren om het deel tijdens het printen te ondersteunen. Ze laten een merk op het deel achter nadat de afwerktechnicus ze verwijdert. Zorg ervoor dat geen van deze ondersteuningsstructuren op vlakken zit die de holte van de vorm vormen, want hun overblijvende merken zullen ook op het deel verschijnen.

Laagdikte en printsnelheid verlagen voor betere oppervlakteafwerking

De oppervlakteafwerking van een 3D-geprinte vorm hangt af van de laagdikte en printsnelheidsparameters van de 3D-printer. Houd deze instellingen laag om een fijner 3D-printoppervlak te krijgen.

Uittrekshoeken zijn iets hoger dan bij aluminium vormen

3D-geprinte structuren vereisen hogere uittrekshoeken in de vorm vanwege hun verschillende materialspecifieke eigenschappen. Experts suggereren een gemiddelde uittrekshoek van 3° voor de verticale vlakken van de injectiegietvorm op te nemen.

Ventilatie is essentieel

Luchtbellen neigen ertoe zich te vormen in gietvormholtes en de oppervlakkwaliteit te verlagen. Het is goed om ondiepe luchtventilaties net onder het holte-oppervlak te hebben om dit probleem te voorkomen.

3D-printmethoden en materialen voor het fabriceren van vormen