Zal 3D-printen de gereedschapsindustrie vervangen?

Geplaatst op 11 november 2019, | By WayKen Snelle productie

Bij het vervaardigen van een product gaat het niet alleen om het verwerken en monteren van de eigenlijke onderdelen. Het productieproces omvat veel extra taken, zoals het ontwikkelen van verpakkingen, nadenken over logistiek en het belangrijkste - het ontwikkelen en produceren van de tooling. Tooling is een algemene betekenis voor de componenten die nodig zijn voor de succesvolle productie van alle componenten in het vereiste volume en met alle voorgeschreven vereisten. De gereedschapsindustrie kost ondernemers over de hele wereld miljarden dollars. De kosten voor tooling kunnen oplopen tot 50% van de totale productkosten. Er worden echter nieuwe technologieën ontwikkeld om de tijd en prijs van gereedschap te verminderen. 3D-printen is een betrouwbare en veelbelovende techniek gebleken voor een dergelijke klus.

Door de jaren heen is de additieve fabricagetechnologie, of zoals het gewoonlijk 3D-printen wordt genoemd, een analogie met het conventionele proces van het kopiëren van 2D digitale afbeeldingen op een vel papier. Naarmate de techniek volwassener werd, zijn de precisie, de sterkte van de onderdelen, de oppervlakteafwerking en het materiaalaanbod voor additieve fabricage drastisch toegenomen. 5 jaar geleden mochten de geprinte delen alleen nog gebruikt worden voor mock-ups en presentaties. Vandaag horen we van gedrukte metalen componenten die worden geïnstalleerd op Airbus-motoren, spaceshuttles en auto's. Dat betekent dat 3D-printen ook nuttig is geworden voor tooling. Als we kijken naar zo'n snelle ontwikkeling, is het misschien mogelijk dat 3D-printen in staat zal zijn om alle conventionele processen voor de productie van gereedschappen in de hele industrie te vervangen?

Plastic 3D-printen ter vervanging van zacht gereedschap

Soft tooling wordt meestal aangeduid als elementen die niet veel handicaps vereisen. Het meest voorkomende voorbeeld van soft tooling zijn siliconen mallen voor het gieten van kunststof. Ze zijn vervaardigd uit verschillende uitgeharde siliconenmengsels, terwijl het harde gereedschap voor spuitgieten is gemaakt van metaallegeringen. Hun duurzaamheid is minuscuul in vergelijking met harde gereedschappen (slechts 1-1000 onderdelen afhankelijk van de complexiteit), maar de prijs is aanzienlijk goedkoper. Siliconen mallen zijn perfect voor gebruik bij prototyping, productie van kleine volumes en maatwerk. U hebt alleen een mastermodel en een of twee matrijsvormen nodig om een ​​kleine maar belangrijke partij onderdelen te produceren. Dus, hoe kan additieve fabricage het conventionele proces hier verbeteren en vervangen?

Neem contact op met WayKen voor meer informatie over prototypen van snel spuitgieten.

Verbeteringen door de additieve productie

Ten eerste speelt 3D-printen al een belangrijke rol bij het gieten van siliconen. Het is onmisbaar voor de productie van het hoofdmodel. 3D-printen blinkt uit in het produceren van een enkel custom onderdeel en het voordeel is dat de complexiteit van de geometrie weinig tot geen rol speelt in de uiteindelijke tijd en kosten. Een enkel op maat gemaakt complex onderdeel is een definitie van het mastermodel voor kunststofgieten. Nadat het master-deel klaar is, wordt het ondergedompeld in vloeibare siliconen en als het eenmaal is uitgehard, worden twee helften van de matrijs verkregen.

Wat als we verder gaan en de siliconen matrijzen zelf produceren door simpelweg de siliconen mallen te bedrukken. Dat zou de noodzaak voor een masteronderdeel en de nabewerking overbodig maken. Moderne 3D-printers bereiken niet helemaal de noodzakelijke oppervlakteafwerking met de benodigde materialen, maar ze kunnen extreem gladde onderdelen produceren met zachtere polymeren. Wie zegt dat de printers over een paar jaar niet dezelfde precisie kunnen bereiken op de meer complexe materialen? Als dat gebeurt, komt de conventionele siliconengereedschapsindustrie in de problemen.

3D-printen en de spuitgietindustrie

We hebben gekeken naar softtooling. Laten we nu eens kijken wat 3D-printen kan brengen in de hardtooling-industrie. Het grootste deel van deze industrie omvat duurzame stalen matrijzen voor kunststof spuitgietonderdelen. Harde gereedschappen omvatten echter metalen smeedmatrijzen, verspanende armaturen en meetklemgereedschappen (of hele gespecialiseerde meetapparatuureenheden voor specifieke onderdelen).

Hard gereedschap voor verschillende industrieën

Hard gereedschap wordt meestal geproduceerd door CNC-bewerking. De matrijzen en armaturen zijn gemaakt van roestvrij staal of harde metaallegeringen, die een warmtebehandeling kunnen ondergaan om hun levensduur verder te verlengen. Dergelijke materialen zijn zeer moeilijk te verwerken. Dat is de reden waarom de fabricage van hard gereedschap veel geld kost en een aanzienlijk deel van de doorlooptijd van het product in beslag neemt.

Hardgereedschap wordt meestal als een enkele eenheid of als een zeer kleine batch vervaardigd. Het heeft gewoonlijk een zeer complexe geometrie met interne kenmerken. Deze situatie is precies waar 3D-printen in uitblinkt. Additieve fabricage wordt echter nog niet veel gebruikt om matrijzen te produceren.

Redenen waarom we additieve productie nog niet zien

Daar zijn een paar redenen voor. Een van de redenen is dat metaal Additive Manufacturing nog niet de precisie en oppervlakteafwerking biedt die CNC-gefreesde onderdelen kunnen bereiken. U kunt de verwerking dus niet volledig vermijden door gereedschap te snijden. Dit alles betekent dat u nabewerking niet kunt vermijden en dat de kosten van nabewerkte onderdelen hoger zijn. De belangrijkste reden is echter dat de vermoeiingseigenschappen van gesinterde onderdelen nog niet goed zijn onderzocht. Dit betekent dat de duurzaamheid van bedrukte onderdelen niet betrouwbaar kan worden voorzien. Zodra er meer onderzoekstests zijn uitgevoerd, kunnen we de algehele vermoeiingscurven van de gesinterde materialen vaststellen. Als dat eenmaal is gebeurd, is het mogelijk om additieve fabricage te gebruiken voor duurzame componenten. Bovendien zijn er niet zoveel materialen die geschikt zijn voor het sinteren van metalen onderdelen, dus de variaties van matrijzen zijn beperkt.

De toekomst van gereedschap

Nu we de huidige beperkingen van het 3D-printen in metaal kennen, laten we eens kijken wat er in de toekomst kan gebeuren als die beperkingen uiteindelijk worden overwonnen. Als we printers ontwikkelen die precieze onderdelen kunnen maken van complexe componenten, zal het productietempo inderdaad omhoogschieten. De matrijzen worden in slechts enkele dagen vervaardigd en zijn veel goedkoper in vergelijking met de productie van vandaag. De kosten voor het bewerken van een enkel onderdeel zijn erg hoog, terwijl het 3D-printen van een aangepast huisdier eigenlijk winstgevender is dan het maken van een batch. De hardheid van het materiaal doet er niet toe, omdat het lokaal wordt gesmolten en niet wordt gesneden.

En last but not least kan additive manufacturing veel toevoegen op het gebied van interne koelkanalen. Boren en boringen kunnen diepere holtes en ruimtes niet bereiken, wat resulteert in verschillende koelsnelheden. Additieve technologieën kunnen echter elke complexe vorm van kanalen bieden die efficiënt zijn, gelijkmatig over de holte zijn verspreid en niet bijdragen aan de kosten van de matrijs.

Conclusie

Additive manufacturing heeft nog een lange weg te gaan om conventionele, onfeilbare methoden voor het maken van gereedschappen te vervangen. Zodra de technologie echter volwassen is en de eigenschappen van de onderdelen beter worden begrepen, maken conventionele methoden geen schijn van kans.