3D-geprinte Mallen voor Efficiënte Low-Run Spuitgieten

Dit artikel bespreekt het gebruik van 3D-printen om malletjes te printen voor low-run spuitgieten. Ontwerpoverwegingen, materialen, malconfiguraties en een vergelijkende case study zijn allemaal inbegrepen.

Hoe ontwerpt u een 3D-geprinte spuitgietmal?

Materialen

Een 3D-printmateriaal is geschikt voor het maken van een spuitgietmal als het voldoet aan:

• Hoge temperatuurbestendigheid – Een hoge heat deflection temperature is vereist om de mechanische en thermische belasting stand te houden die op de mal wordt uitgeoefend tijdens materiaalinjectie. Let op dat de temperatuur snel daalt tijdens verstijving.
• Hoge stijfheid/zwaarte – Herhaaldelijk delen verwijderen kan slijtage aan de mal veroorzaken, dus materialen met hoge stijfheid zijn vereist om de malnauwkeurigheid over tijd te behouden.
• Hoog detailniveau – Een van de hoofdvereisten van een spuitgietmal is hoge dimensionele nauwkeurigheid en een glad oppervlak. Hoog nauwkeurige malletjes produceren hoog nauwkeurige delen.

De 3D-printtechnologieën die het beste aan deze eisen voldoen, zijn SLA en Material Jetting. Deze technologieën kunnen delen produceren met hoge dimensionele nauwkeurigheid en zijn ideaal voor het printen van ingewikkelde details en zeer fijne features. Specialiteitsmaterialen die beschikbaar zijn in deze technologieën, zoals Formlabs High Temperature hars of Stratasys Digital ABS, zijn ideaal voor mal- en toolingtoepassingen. Een overzicht van de eigenschappen die meest relevant zijn voor spuitgieten voor deze twee materialen wordt hieronder getoond.

Voor industriële toepassingen is desktop SLA niet geschikt. Een diepgaand artikel dat de twee meest gebruikte industriële 3D-printmaterialen voor malproductie vergelijkt (Digital ABS en Somos PerFORM) vindt u hier.

*Informatie gebroneerd van Formlabs **Informatie gebroneerd van Stratasys

Een 3D-geprinte spuitgietmal gemaakt van Digital ABS

Malontwerp

Het beschrijven van specifieke technische ontwerpkenmerken van malletjes (zoals gates, runners, luchtafgassen etc.) valt buiten de scope van dit artikel. Een internetzoekopdracht onthult veel informatie over het onderwerp. Deze post van Seattle Robotics is een goed startpunt voor nieuwkomers in spuitgietmalontwerp.

Hier is een lijst met goede praktijken die gevolgd moeten worden bij het ontwerpen van een 3D-geprinte mal:

• Bij het ontwerpen van de mal voor SLA-printen, zorg ervoor dat de binnenkant van de mal georiënteerd is zodat geen support in contact komt met hen. Dit verbetert hun oppervlaktekwaliteit, aangezien geen supportsporen op deze oppervlaktes aanwezig zullen zijn, wat de benodigde nabehandeling minimaliseert.
• On diepe luchtafgassen (0,05 mm diep) opnemen van de rand van de kaviteit naar de rand van de mal helpt bij het ontluchten van vastgelopen lucht tijdens het gietproces.
• Als de 3D-geprinte mal voor meer dan 20 runs gebruikt wordt, overweeg dan kanalen in het ontwerp op te nemen voor het inbedden van metalen staven of buizen. Deze kunnen de mal versterken, vervorming reduceren en afkoeltijden verbeteren.
• De mal printen met een lagere laaghogte kan helpen gladde gegoten delen te produceren, omdat de malletjes minder zichtbare printlijnen zullen hebben.
• Uitgesneden en ingesneden details moeten ten minste 1 mm van het oppervlak afstaan.

Specifieke ontwerpbeperkingen hangen af van de gebruikte spuitgietmachine. Stratasys suggereert echter dat malletjes gemaakt via hun Material Jetting-printers gebruikt moeten worden om delen te produceren met een maximum volume van 165 cm³ in 50 tot 80 ton gietmachines of handmatige persen.

Delen ontwerpen voor spuitgieten

Net als bij conventionele spuitgietmalletjes moet een ontwerper rekening houden met:

• Een kantelhoek van minimaal 2 graden toevoegen om de verwijdering van het deel uit de mal te vergemakkelijken.
• Een uniforme wanddikte over het gehele deel handhaven.
• Alle wanden en features zo dun mogelijk houden.
• Radialen op alle randen en hoeken opnemen.
• Dunne ribben en gussets opnemen om sterkte toe te voegen aan een deel in plaats van de wanddikte te vergroten.

Kantelhoekontwerp voor spuitgieten

Leer meer over het belang van kantelhoeken in dit artikel →

Flash reduceren

Flash is de naam voor het materiaal dat tussen de twee helften van de mal uitkomt tijdens het injectieproces. Dit treedt doorgaans op wanneer de twee malhelften niet perfect op elkaar aansluiten, niet perfect vlak en plat zijn of de mal overvuld is. Runners worden in het malontwerp gebruikt om de kans op flash te reduceren.

Als u ontwerpt voor een aluminium frame, voeg dan 0,125 mm extra dikte toe aan de achterkant van de malplaten om rekening te houden met de compressiekrachten en een complete afdichting te garanderen. Het verhogen van de spankracht in de schroefbank kan ook helpen flash te mitigeren, net als het polijsten van het splitsvlak van de mal om het zo plat mogelijk te maken.

Goed malontwerp en een plat maloppervlak reduceren de kans op flash (afbeelding met dank aan Formlabs)

Losmiddel

Vanwege de relatief kwetsbare aard van de materialen die in 3D-geprinte spuitgietmalletjes worden gebruikt vergeleken met traditionele malletjes, kan het toepassen van overmatige kracht om een deel uit de mal te halen leiden tot snelle maldeterioratie. Het aanbrengen van een losmiddel op de oppervlaktes van de malkaviteit voor de injectiefase kan de deelverwijdering enorm vergemakkelijken.

Case study: een kunststof motorfitting

Deze case study vergelijkt de productie van een custom kunststof fitting voor een motorbehuizing. De ontwerpeisen zijn:

• Het totale aantal delen is 25.
• Een hoog niveau van dimensionele nauwkeurigheid is nodig om een strakke pasvorm te garanderen.
• Het gewicht van het deel is 0,005 kg (5 gram).
• Het deel moet gemaakt zijn van ABS.
• Het deel moet zwart zijn.
• De algehele diameter van het deel is 40 mm.

Hier zijn de beschikbare alternatieve productieopties:

Industriële FDM ABS 3D-printen: Industriële FDM 3D-printen heeft hoge herhaalbaarheid en kan delen produceren met hoge dimensionele nauwkeurigheid en is in staat om delen in kleine tot middelhoge batches te printen. De kosten van het ABS-filament dat in industriële FDM-systemen wordt gebruikt, liggen typisch rond $90 - $110 per kg. De hoofbeperking voor elk deel geproduceerd via FDM 3D-printen is zijn anisotrope mechanische prestaties: delen zijn aanzienlijk zwakker in één richting. Dit betekent dat een ontwerper een goed begrip moet hebben van de belasting waaraan het deel wordt blootgesteld en de oriëntatie van het model op het printplatform.

Spuitgieten ABS-delen met SLA 3D-geprinte malletjes: High Temperature SLA-harsen zijn in staat om functionele spuitgietmalletjes te produceren met een hoog niveau van nauwkeurigheid die het beste geschikt zijn voor lage productieruns. SLA-harsen kosten in de detailhandel ongeveer $150 - $170 per liter. Een bankschroef spuitgietmachine is gebruikt voor de berekeningen in dit voorbeeld met de 3D-geprinte malletjes in aluminium-ondersteuningsframes. ABS-pellets worden gebruikt voor het gieten van het deel die ongeveer $2 - $3 kosten.

Traditioneel gespuiten ABS-deel: Traditioneel gespuiten delen hebben een zeer hoog niveau van nauwkeurigheid, uitstekende oppervlakte-afwerking en een zeer hoog niveau van herhaalbaarheid. De belangrijkste nadelen van traditioneel spuitgieten zijn de hoge initiële opstartkosten en het aantal ontwerpbeperkingen die afgedwongen worden bij het ontwerpen van het gegoten deel (kantelhoeken, constante wanddikte, etc.). De kosten van de ABS-pellets zijn hetzelfde als hierboven.

Een samenvatting van de kosten (gebaseerd op online offertes) van de productie van de ABS-fitting met de bovenbesproken technologieën is samengevat in de onderstaande tabel. Alle prijzen zijn exclusief verzendkosten.

* Offerte gebroneerd van Protolabs Network.com met ABS, 20% infill geprint op een Fortus 250MC
** Offerte gebroneerd van Protolabs Network.com met Formlabs High Temp hars geprint op een Form2
*** Offerte gebroneerd van Protolabs

Volgende stappen: Hoe delen te produceren met spuitgieten

Is low-run spuitgieten met 3D-geprinte malletjes de beste oplossing voor uw toepassing? Dan zijn er twee manieren om vooruit te gaan met uw project:

Als u toegang heeft tot een spuitgietmachine en de know-how om de mal te ontwerpen, dan is de mal 3D-printen in een hittebestendig materiaal een optie. Een artikel dat de voor- en nadelen bespreekt van de twee meest gebruikte 3D-printmaterialen voor het fabriceren van low-run spuitgietmalletjes vindt u hier.

Anders kunt u de productie uitbesteden aan een professional spuitgietfabrikant. Protolabs Network biedt toegang tot een wereldwijd netwerk van spuitgietdienstverleners, die in staat zijn om een mal voor uw deel te ontwerpen en volumes van 100 tot 10.000+ eenheden te produceren.

Heeft u advies nodig voor uw spuitgietproject?
Spreek met een expert