3D-печать в проектировании и производстве пресс-форм: от прототипа до производственной оснастки.

Практический взгляд на то, как аддитивное производство меняет процесс принятия решений на протяжении всего жизненного цикла пресс-формы, и когда имеет смысл переходить от прототипа, напечатанного на 3D-принтере, к производственной пресс-форме, также напечатанной на 3D-принтере.

Старое узкое место: почему сроки изготовления пресс-форм влияют на сроки производства продукции.

Традиционная оснастка всегда была самым медленным звеном в разработке продукта. На проектирование, механическую обработку, полировку и тестирование одной стальной пресс-формы для литья под давлением может уйти от четырех до двенадцати недель — еще до того, как будет отлита хотя бы одна деталь, соответствующая серийному образцу. Для компаний, стремящихся проверить работоспособность конструкции, это время часто является самым большим ограничением скорости выхода продукта на рынок.

3D-печать не заменяет прецизионную стальную оснастку. Она лишь сокращает цикл принятия решений, предоставляя инженерным и закупочным группам более быстрый и менее рискованный способ проверки формы, соответствия и функциональности до принятия решения о создании точной оснастки. Понимание того, где 3D-печать находит применение, а где нет, является ключевым решением, которое теперь должна принимать каждая программа по изготовлению пресс-форм.

Логика принятия решений: когда использовать 3D-печать, а когда обрабатывать сталь на станке.

Принимая решение о том, в какой степени программа должна полагаться на аддитивное производство по сравнению с традиционными инструментами, изготовленными на станках с ЧПУ, команды, занимающиеся изготовлением пресс-форм, обычно учитывают четыре фактора:

• Объем производства — 3D-печатные вставки для пресс-форм обычно выдерживают от десятков до нескольких тысяч циклов литья, в зависимости от смолы и геометрии детали, что делает их хорошо подходящими для опытных запусков и мелкосерийного производства, а не для программ с высокой кавитацией и производством миллионов деталей.
• Геометрическая сложность — аддитивное производство позволяет создавать конформные каналы охлаждения, подрезы и внутренние решетчатые структуры, которые было бы сложно или невозможно обработать механическим способом, что часто улучшает время цикла и качество деталей даже при мелкосерийном производстве пресс-форм.
• Требования к материалам и допускам — если для конечной детали требуются определенные свойства смолы, жесткие допуски или высококачественная отделка класса А при больших объемах производства, то стальная оснастка остается более безопасным долгосрочным вложением.
• Давление, связанное со сроками вывода продукции на рынок: когда клиенту требуются функциональные литые детали в течение нескольких дней, а не недель, 3D-печатная форма часто является единственным реалистичным вариантом.

Именно поэтому наиболее эффективные стратегии в области инструментального обеспечения сегодня — это не противостояние «3D-печати и механической обработки», а поэтапный подход, при котором каждая технология используется там, где она оправдывает свою стоимость.

Этап 1: Функциональное прототипирование — проверка конструкции перед изготовлением оснастки.

На ранних этапах разработки цель состоит не в массовом производстве деталей, а в подтверждении работоспособности конструкции. В этом случае 3D-печатные формы (часто изготавливаемые непосредственно из CAD-моделей с использованием алюминиевого наполнителя или высокотемпературной смолы) позволяют инженерным группам отливать от нескольких до нескольких сотен деталей из целевого материала, вместо того чтобы полагаться на механически обработанные или SLA-прототипы, которые ведут себя по-разному под нагрузкой, при нагревании или воздействии химических веществ.

На данном этапе логика принятия решения проста: если изменение конструкции все еще вероятно, преждевременно принимать решение об использовании стальной формы. 3D-печатный прототип позволяет командам проверить толщину стенок, углы уклона и расположение литниковых каналов, а затем доработать саму форму за несколько дней, а не недель.

Этап 2: Изготовление оснастки для моста — 3D-печатные формы для мелкосерийного производства.

Создание промежуточной оснастки – вот где 3D-печать демонстрирует свои наиболее очевидные коммерческие преимущества. Когда дизайн утвержден, но до изготовления производственной стальной формы еще несколько недель, или общий объем производства может никогда не оправдать использование многогнездной стальной формы, 3D-печатная форма может обеспечить мелкосерийное производство, необходимое для выполнения первых заказов, проведения рыночных испытаний или поддержки запуска продукта.

Здесь также проявляется измеримость стоимости. 3D-печатная форма из алюминиевого сплава или высокотемпературной смолы обычно стоит значительно дешевле стальной формы и может быть изготовлена ​​за несколько дней, а не недель, ценой более короткого срока службы. Для программ, требующих от нескольких десятков до нескольких тысяч деталей, этот компромисс неизменно склоняет чашу весов в пользу 3D-печати.

Этап 3: Гибридная оснастка — Вставки, напечатанные на 3D-принтере, в основаниях производственных пресс-форм.

Для крупносерийного производства многие производители теперь комбинируют обе технологии, а не выбирают одну из них. Стандартизированная, многоразовая стальная основа пресс-формы сочетается с 3D-печатными вставками для полости и сердечника — это позволяет инженерам изменять геометрию, добавлять текстуру или перенаправлять каналы охлаждения, заменяя вставку, а не переделывая весь инструмент.

Вставки, изготовленные методом аддитивного производства с конформными каналами охлаждения, также часто сокращают время производственного цикла, поскольку охлаждающая жидкость может следовать контуру детали, а не протекать по прямым просверленным каналам. На практике это означает, что роль 3D-печати в производстве оснастки расширяется от простого способа прототипирования до реального улучшения времени цикла и гибкости конструкции внутри традиционных пресс-форм.

Как это решение проявляется на практике

Типичная программа последовательно проходит следующие этапы: прототип из смолы подтверждает геометрию, 3D-печатная оснастка служит основой для изготовления первых деталей, соответствующих серийному производству, и первых отгрузок заказчикам, и — если объемы производства это оправдывают — стальная производственная оснастка (возможно, с 3D-печатными вставками для сложного охлаждения) переходит к полномасштабному производству. На каждом этапе возникает один и тот же вопрос: оправдывают ли оставшийся объем и сложность дополнительные затраты и время изготовления следующего уровня оснастки? Для все большего числа программ, особенно тех, где объемы производства составляют менее нескольких тысяч единиц, ответ таков: 3D-печатная оснастка — это подходящий инструмент для всей задачи.

Заключение

3D-печать вышла далеко за рамки прототипирования в проектировании и производстве пресс-форм. Целенаправленное использование — в качестве инструмента для прототипирования, промежуточного решения для мелкосерийного производства или источника высокоэффективных вставок внутри основания производственной пресс-формы — обеспечивает производителям более быстрый и менее рискованный путь от концепции до готовой детали. Команды, получающие от этого наибольшую выгоду, не задаются вопросом, следует ли использовать 3D-печать в оснастке; они на каждом этапе программы задаются вопросом, какая технология оснастки оправдывает свои затраты.

Часто задаваемые вопросы

Часто задаваемые вопросы от инженерных и закупочных групп, оценивающих 3D-печатные пресс-формы для мелкосерийного производства.

Сколько деталей может изготовить напечатанная на 3D-принтере форма, прежде чем она выйдет из строя?

Это зависит от смолы, геометрии детали и параметров формования, но большинство 3D-печатных вставок для литьевых форм надежно обеспечивают от нескольких десятков до нескольких тысяч циклов литья. Алюминийсодержащие и высокотемпературные смолы, как правило, находятся в верхней части этого диапазона, поэтому 3D-печатные формы лучше всего подходят для мелкосерийного производства и изготовления промежуточной оснастки, а не для крупносерийного производства.

Дешевле ли пресс-форма, изготовленная методом 3D-печати, чем пресс-форма из обработанной стали?

Для мелкосерийного производства — да, это так: пресс-форма, изготовленная методом 3D-печати, обычно стоит значительно дешевле, чем аналогичная стальная оснастка, и может быть изготовлена ​​за несколько дней, а не за несколько недель. Однако это преимущество в стоимости уменьшается и в конечном итоге нивелируется по мере увеличения объёма производства, поскольку более высокая первоначальная стоимость стальной оснастки компенсируется гораздо более длительным сроком службы при больших объёмах производства.

Какие материалы используются для 3D-печати пресс-форм, пригодных для серийного производства?

В качестве вариантов обычно используются фотополимерные смолы с алюминиевым наполнителем, высокотемпературные смолы для стереолитографии, а для металлических вставок — порошки инструментальной стали, полученные методом аддитивного производства металлов. Правильный выбор материала зависит от давления впрыска, температуры пресс-формы и ожидаемого количества циклов литья в рамках программы.

Можно ли использовать 3D-печатные пресс-формы для реального литья под давлением, а не только для создания прототипов?

Да. При соответствующем количестве впрысков и геометрии детали, 3D-печатные пресс-формы регулярно используются для создания деталей, максимально приближенных к серийному производству методом литья под давлением, и даже готовых к выходу на рынок, особенно для промежуточных производственных циклов между первоначальным прототипированием и полномасштабным изготовлением стальной оснастки.

В каких случаях целесообразно переходить от пресс-форм, изготовленных методом 3D-печати, к пресс-формам из стали для серийного производства?

Переход на гибридную оснастку обычно становится целесообразным, когда подтвержденные требования к объему производства, образованию каверн или допускам программы превышают возможности надежной 3D-печатной оснастки — как правило, это от нескольких тысяч до десятков тысяч деталей, в зависимости от области применения. Многие производители осуществляют этот переход постепенно, используя гибридную оснастку, сохраняя стальную основу пресс-формы и заменяя ее 3D-печатными вставками до тех пор, пока объем производства не оправдает использование полностью механической оснастки.

Готовы изучить возможности 3D-печати пресс-форм для вашей следующей программы? Запросите ценовое предложение.