Zal 3D-printen de Gereedschapsindustrie Disrupteren?

Gepost op 11 nov. 2019 | Door WayKen Rapid Manufacturing

Het produceren van een product omvat niet simpelweg het verwerken van de daadwerkelijke onderdelen en het assembleren ervan. Het productieproces omvat veel additionele taken zoals het ontwikkelen van verpakking, nadenken over logistiek, en het meest belangrijk – het ontwikkelen en produceren van de gereedschappen. Gereedschappen is een algemene term voor de componenten die nodig zijn voor de succesvolle productie van alle componenten in het vereiste volume en met alle voorgeschreven eisen. De gereedschapsindustrie kost miljarden dollars voor ondernemers over de hele wereld. De kosten voor gereedschappen kunnen tot 50% van de totale productkost oplopen. Echter, nieuwe technologieën worden ontwikkeld om de tijd en prijs van gereedschappen te verlagen. 3D-printen heeft zich bewezen als een betrouwbare en veelbelovende techniek voor zo'n klus.

Over de jaren heen is de additieve productietechnologie of zoals het algemeen wordt genoemd 3D-printen – als analogie met het conventionele proces van het kopiëren van 2D digitale afbeeldingen op een vel papier. Naarmate de techniek volgroeide, zijn de precisie, onderdeelsterkte, oppervlakteafwerking, en materiaalbereik voor additieve productie drastisch toegenomen. 5 jaar geleden konden geprinten onderdelen alleen gebruikt worden voor mock-ups en presentaties. Vandaag de dag horen we van geprinten metalen componenten die op Airbus-motoren, ruimteshuttles en auto's worden gemonteerd. Dat betekent dat 3D-printen nuttig is geworden voor gereedschappen ook. Als we zo'n snelle ontwikkeling overwegen, is het misschien mogelijk dat 3D-printen in staat zal zijn om alle conventionele processen voor gereedschapsproductie in de hele industrie te substitueren?

Kunststof 3D-printen om Zachte Gereedschappen te Vervangen

Zachte gereedschappen worden meestal aangeduid als elementen die niet veel uithoudingsvermogen vereisen. Het meest voorkomende voorbeeld van zachte gereedschappen zijn siliconen vormen voor het gieten van kunststof. Ze worden vervaardigd uit verschillende uitgeharde siliconenmengsels, terwijl harde gereedschappen voor spruitgieten van metaallegeringen gemaakt worden. Hun duurzaamheid is miniem vergeleken met harde gereedschappen (alleen 1-1000 onderdelen afhankelijk van de complexiteit), maar de prijs is aanzienlijk goedkoper. Siliconen vormen zijn perfect voor gebruik in prototyping-klussen, kleine-volume productie en customisatie. U zou alleen een meester model en één of twee matrijsvormen nodig hebben om een kleine maar significante batch onderdelen te produceren. Hoe kan additieve productie het conventionele proces hier verbeteren en vervangen?

Verbeteringen Door Additieve Productie

Allereerst speelt 3D-printen al een significante rol in siliconen gieten. Het is onmisbaar voor de meester modelfabricatie. 3D-printen blinkt uit in het produceren van een enkel aangepast onderdeel en het voordeel is dat de complexiteit van de geometrie weinig tot geen rol speelt in de eindtijd en -kost. Een enkel aangepast complex onderdeel is de definitie van het meester model voor kunststof gieten. Nadat het meesteronderdeel klaar is, wordt het in vloeibare siliconen gedoopt en zodra het uitgehard is, worden twee helften van de matrijs verkregen.

Wat als we verder gaan en de siliconen matrijzen zelf produceren door ze simpelweg te printen. Dat zou de noodzaak voor een meester onderdeel en de nas Bewerking ervan elimineren. Moderne 3D-printers bereiken nog niet de benodigde oppervlakteafwerking met de benodigde materialen, maar ze kunnen extrem gladde onderdelen produceren met zachtere polymeren. Wie zegt dat de printers niet in een paar jaar dezelfde precisie op de complexere materialen zullen kunnen bereiken? Wanneer dat gebeurt, zal de conventionele siliconen gereedschapsindustrie in de problemen komen.

3D-printen en de Spruitgietindustrie

We hebben gekeken naar zachte gereedschappen. Nu laten we zien wat 3D-printen in de harde gereedschapsindustrie kan brengen. Het merendeel van deze industrie omvat duurzame staalmatrijzen voor kunststof spruitgietonderdelen. Echter, harde gereedschappen omvatten metaalsmeedmatrijzen, bewerkingsfixateurs, en meetspanklemgereedschappen (of gespecialiseerde meetapparatuur eenheden voor specifieke onderdelen).

Harde Gereedschappen voor Verschillende Industrieën

Harde gereedschappen worden meest geproduceerd door CNC-bewerking. De matrijzen en fixateurs zijn gemaakt van roestvrij staal of harde metaallegeringen, die mogelijk warmtebehandeld worden om hun levensduur te verhogen. Dergelijke materialen zijn erg moeilijk te bewerken. Daarom kost harde gereedschapsproductie veel geld en neemt een significant deel van de productlevertijd in beslag.

Harde gereedschappen worden meestal geproduceerd als een enkele eenheid of als een zeer kleine batch. Het heeft vaak een erg complexe geometrie met interne kenmerken. Deze situatie is precies waar 3D-printen uitblinkt. Echter, additieve productie wordt nog niet breed gebruikt om matrijzen te produceren.

Redenen Waarom We Additieve Productie Nog Niet Zien

Er zijn een paar redenen hiervoor. Een reden is dat metaal additieve productie nog niet de precisie en oppervlakteafwerking biedt die CNC-bewerkte onderdelen kunnen bereiken. Dus kunt u de nabewerking met snijgereedschappen niet volledig vermijden. Al dat betekent dat u nabewerking niet kunt vermijden en de kosten van nabewerkte onderdelen hoger zijn. Echter, de belangrijkste reden is dat de vermoeidheidseigenschappen van gesinterde onderdelen nog niet goed zijn onderzocht. Het betekent dat de duurzaamheid van geprinten onderdelen niet betrouwbaar kan worden voorspeld. Eenmaal meer onderzoektesten worden uitgevoerd, kunnen we de algehele vermoeidheidscurves van de gesinterde materialen vaststellen. Eenmaal dat gedaan is, zal het mogelijk zijn om additieve productie te gebruiken voor duurzame componenten. Daarnaast zijn er niet zoveel materialen geschikt voor metaaldeel sintering, zodat de variaties van matrijzen beperkt zijn.

De Toekomst van Gereedschappen

Nu we de huidige beperkingen van 3D-printen in metaal kennen, laten we kijken wat er in de toekomst kan gebeuren wanneer die beperkingen uiteindelijk zijn overwonnen. Als we printers ontwikkelen die precise onderdelen van complexe componenten kunnen maken, zal de productiesnelheid in de lucht schieten. De matrijzen zullen in enkele dagen geproduceerd worden en veel goedkoper dan de huidige productie. De kosten van het bewerken van een enkel onderdeel is erg hoog, terwijl 3D-printen van een aangepast onderdeel eigenlijk winstgevender is dan een batch maken. De hardheid van het materiaal zal niet uitmaken omdat het lokaal wordt gesmolten en niet gesneden.

En last but not least, kan additieve productie veel toevoegen qua binnenkoelkanalen. Booren en boringen kunnen diepere caviteiten en ruimtes niet bereiken, wat resulteert in verschillende afkoelsnelheden. Echter, additieve technologieën kunnen elke complexe vorm van kanalen bieden die efficiënt, gelijkmatig verdeeld over de caviteit zijn, en geen kosten aan de matrijs toevoegen.

Conclusie

Additieve productie heeft nog een lange weg te gaan om conventionele foutloze methoden van het maken van gereedschappen te substitueren. Echter, zodra de technologie is uitgegroeid en de eigenschappen van zijn onderdelen beter begrepen zijn, zullen conventionele methoden geen kans meer hebben.