Prežije 3D tlačená kovová raznica vašu produkciu?

Čo je to 3D tlačená kovová raznica?

Predstavte si, že preskočíte týždne prípravy na CNC obrábanie a namiesto toho cez noc vytlačíte presnú geometriu matrice, ktorú potrebujete. Tento scenár vyvoláva vážny záujem o aditívumvýroba lisovacích nástrojov, od garážových dielní, ktoré vyrábajú hliníkové konzoly, až po automobilové výskumné laboratóriá, ktoré lisujú oceľ s ultravysokou{0}}pevnosťou.

Samotný výraz však môže znamenať veľmi odlišné veci v závislosti od toho, koho sa pýtate. Takže poďme to jasne uzemniť predtým, ako pôjdeme hlbšie.

Čo je to 3D tlačená kovová raznica

3D tlačená kovová raznica je tvarovací nástroj vyrobený aditívnou výrobou - buď z technických polymérov alebo kovových práškov -, určený na tvarovanie plechových dielov pod tlakom, čím nahrádza alebo dopĺňa konvenčne obrábané nástroje.

Táto definícia pokrýva široké spektrum. Na jednej strane nájdete nadšencov a tímy zaoberajúce sa výrobou prototypov, ktoré tlačia polymérové ​​matrice z materiálov, ako sú PLA, nylon alebo kompozity z uhlíkových-vlákien na stolných FDM strojoch. Tieto 3D tlačené plechové matrice dobre fungujú pri nízko{4}}tvarovaní tenkého hliníka alebo medi. Na druhej strane priemyselní používatelia vyrábajú skutočné kovové matrice prostredníctvom procesov fúzie laserového prášku - bežne nazývaných DMLS alebo SLM - pomocou nástrojovej ocele alebo práškovej ocele s vysokou pevnosťou v ťahu. Ako vysvetľuje Protolabs, DMLS a SLM sú v podstate rovnaké technológie fúzie laserového prášku napriek rôznym skratkám; oba úplne roztavia kovový prášok vrstvu po vrstve, aby vytvorili husté, funkčné časti.

Na rozdiele záleží, pretože matrica z polymérového plechu a matrica z kovového -tlačidla majú zásadne odlišné úlohy. Polymérové ​​matrice fungujú ako nástroje na rýchle tvarovanie na overenie geometrie a krátke série. Kovové 3D raznice fungujú ako produkčné-vložky, ktoré dokážu vyraziť tisíce dielov. Výskum na Oaklandskej univerzite napríklad testoval potiahnuté 3D-vytlačené kovové vložky oproti tradičným vložkám z nástrojovej ocele D2 odlisovanie 50 000 dielov z ultravysokopevnej ocele DP980 s hrúbkou 1-mm-- a obe fungovali dobre bez výrazných škrabancov na vytvorených vzorkách.

Prečo aditívne nástroje získavajú trakciu

Tradičná výroba zápustiek zahŕňa kovanie predvalkov a následné odstraňovanie podstatného materiálu pomocou CNC obrábania -, čo je nákladný a časovo{1}}náročný proces, najmä v prípade zložitých geometrií. Aditívna výroba túto rovnicu prevracia. Vrstvu po vrstve vytvoríte len potrebnú geometriu, čím eliminujete väčšinu materiálneho odpadu.

Výhody presahujú úsporu materiálu. Podľa Thomasa Eberia zAachen centrum pre aditívnu výrobu, AM vedie k skráteniu doby cyklu a zníženiu spotreby energie, čo pomáha výrobcom zvýšiť objem výroby a rýchlejšie dostať produkty na trh. Odhaduje, že táto technológia by mohla preniknúť na 50 – 60 % nemeckého trhu s nástrojmi, keďže stratégie adopcie dozrievajú, pričom ostatné regióny v Európe, Ázii a Severnej Amerike sú na podobnej trajektórii.

Pre menšie tímy je odvolanie ešte bezprostrednejšie. 3D tlačiareň na výrobu nástrojov eliminuje potrebu outsourcingu jednoduchých lisovacích nástrojov na tvárnenie kovov, čím sa skracuje dodacie lehoty z týždňov na hodiny. Či už overujete geometriu lisovaného dielu pred tým, ako sa zapojíte do výroby nástrojov, alebo spustíte krátku dávku tvarovaných komponentov, aditívne nástroje ponúkajú rýchlejšiu cestu.

Táto príručka pokrýva celé spektrum - od polymérových stolových lisovníc pre amatérske 3D tvarovanie plechov až po priemyselné kovové-tlačené vložky s desaťtisícmi zásahov. Skutočnou otázkou nie je, či technológia funguje. Ide o to, ktorý prístup vyhovuje vašim špecifickým požiadavkám na materiál, objem a kvalitu.

Technológie 3D tlače používané na razenie razidiel

Ktorý aditívny proces v skutočnosti produkuje matricu, ktorá zvládne tvárniace sily bez prasknutia pri prvom údere? Odpoveď závisí od toho, či potrebujete anástroj na rýchle 3D tvarovaniepre hrsť dielov alebo odolnú kovovú matricu vyrobenú tak, aby vydržala tisíce lisovacích cyklov. Dve odlišné kategórie technológií slúžia týmto potrebám a fungujú zásadne odlišnými spôsobmi.

Polymérové ​​technológie 3D tlače pre tvarovacie nástroje

Polymérna-tlač 3D vám poskytuje najrýchlejšiu cestu od súboru CAD k funkčnému raziacemu nástroju. V tomto priestore dominujú dva procesy:

FDM (Fused Deposition Modeling)taví termoplastické vlákno cez vyhrievanú dýzu a ukladá ho vrstvu po vrstve. Materiály, ako je nylon, ABS, PETG a kompozity vystužené uhlíkovými -vláknami-, poskytujú pri lisovacích aplikáciách pevnosť v tlaku potrebnú na vytvorenie tenkého- plechu. AkoPoznamenáva Fabricator, FDM dosahuje najlepšiu rovnováhu medzi cenou, rýchlosťou, silou a dostupnosťou pre tvárniace nástroje. Tlačené nástroje môžete vystužiť vloženými kovovými doskami, hmoždinkami alebo skrutkami a mať vlastnú matricu pripravenú za niekoľko hodín, nie dní.

Kompromis? Časti FDM sú anizotropné - silnejšie pozdĺž čiar vrstiev (osi X a Y), ale slabšie naprieč nimi (os Z). Orientácia tlače je pre nástroje na tvarovanie 3D plechu mimoriadne dôležitá. Zarovnajte najsilnejší smer s osou, ktorá preberá tvarovacie zaťaženie, a výrazne predĺžite životnosť matrice.

SLA (stereolitografia)používa UV laser na vytvrdzovanie tekutej živice, čím sa vyrábajú diely s výnimočnou povrchovou úpravou a úzkymi toleranciami (±0,05–0,13 mm podľa porovnania procesov spoločnosti MakerStage). Táto kvalita povrchu sa prenáša priamo na vaše tvarované diely. Väčšina živíc SLA je však krehká pri opakovanom zaťažení tlakom, čo ich robí zle vhodnými na razenie, ktoré zahŕňa náraz alebo vysokú tonáž. SLA funguje najlepšie pri nízko{5}}ražbe alebo pri jednorazovom{6}}testovaní geometrie, kde na detailoch povrchu záleží viac ako na odolnosti.

Kovové technológie 3D tlače pre výrobné matrice

Keď polymér neprežije príslušné sily, nastupuje výroba kovových prísad. Tieto procesy produkujú plne husté kovové matrice schopné skutočnej výrobnej práce.

DMLS/SLM (Laser Powder Bed Fusion)používa vysokovýkonný -laser - zvyčajne 200 až 1 000 wattov - na úplné roztavenie kovového prášku v komore s inertným plynom, čím sa formuje vrstva po vrstve s rozlíšením 20 – 60 µm. Ako vysvetľuje Sodick, DMLS a SLM sú v podstate rovnaká trieda technológie - rozdiely v názvoch sú do značnej miery historické. Moderné systémy dosahujú hustotu vyššiu ako 99,5 % a vyrábajú matrice s mechanickými vlastnosťami, ktoré spĺňajú alebo prekračujú kované ekvivalenty. Pre výrobcov nástrojov podporuje LPBF{13}}nástrojové materiály ako H13, vysokopevnostná oceľ a Inconel a umožňuje zložité vnútorné prvky, ktoré nie je možné obrábať konvenčným spôsobom.

Binder Jettingmá rýchlejší, ale menej priamy prístup. Namiesto laserového-taviaceho prášku nanáša vrstvu po vrstve tekuté spojivo, čím vytvára „zelenú“ časť, ktorá potom prechádza odstraňovaním spojiva a spekaním v peci. Krok tlače je rýchly a stroje sú vopred lacnejšie. Kompromisom je vyššia pórovitosť a potenciálne rozmerové zmršťovanie počas spekania, čo sťažuje dodržanie tesných tolerancií. Pri lisovacích nástrojoch, ktoré si vyžadujú opakované silné-údery, je otryskanie spojiva bez rozsiahleho dodatočného-spracovania vo všeobecnosti nedostatočné.

Metal FFF (viazané nanášanie kovov)vytlačí kovové-polymérové ​​kompozitné vlákno, potom časť odstráni a speká do pevného kovu. Systémy od Desktop Metal a Markforged fungujú v štandardných prevádzkových prostrediach bez sypkého prášku alebo inertného plynu. Diely stoja 5–10x menej ako DMLS pre porovnateľné geometrie, hoci hustota (96–99 %) a tolerancia sú nižšie. Pre 3D tlačiareň na výrobu nástrojov za dostupné cenové body ponúka Metal FFF praktický vstup do výroby kovových razidiel pre nízkoobjemové lisovanie.

Každá technológia zaberá inú zónu v spektre nákladov-v porovnaní s{1}}trvanlivosťou. Správna voľba závisí menej od toho, ktorý proces znie najpôsobivejšie, a viac od toho, aký plech formujete, koľko dielov potrebujete a akú kvalitu povrchu si vaša aplikácia vyžaduje - faktorov, ktoré sa týkajú výberu materiálu.

Kritériá výberu materiálu pre raznice vytlačené 3D

Výber technológie 3D tlače je len polovica rovnice. Materiál, ktorý vložíte do tohto stroja, určuje, či vaša kocka prežije desať zásahov alebo desaťtisíc. Namiesto triedenia možností podľa značky alebo modelu tlačiarne je zmysluplnejšie usporiadať ich podľa toho, čo vaša aplikácia skutočne vyžaduje: koľkej sile musí matrica odolať, akú kvalitu povrchu potrebujete na vytvorenom diele a koľko dielov plánujete vyraziť.

Možnosti polymérnych materiálov a ich limity

Polymérové ​​matrice fungujú ako rýchly formovač plechu, keď sily zostávajú nízke a objemy zostávajú malé. Každý materiál zaberá inú výkonnostnú úroveň:

CHKOje najľahšie potlačiteľný a najtuhší bežný filament s pevnosťou v ťahu 50–60 MPa a modulom 3,5 GPa. Táto tuhosť mu pomáha držať tvar pri tlakovom zaťažení. Úlovok? PLA je krehký -, skôr sa rozbije, než deformuje - a zmäkne okolo 55 stupňov . Trecie teplo z opakovaných lisovacích cyklov ho rýchlo znehodnotí. Používajte ho iba na{10}}jednociferné výrobné série v tenkej hliníkovej alebo medenej fólii.

ABSvymieňa surovú pevnosť (35–40 MPa v ťahu) za lepšiu húževnatosť a vyššiu teplotu tepelného ohybu okolo 95 stupňov. Absorbuje nárazy bez praskania tak, ako to robí PLA, vďaka čomu je zhovievavejší pri opakovanom zaťažení tvárnenia. Rozumná voľba pre ľahké-kovové lisovacie formy, ktoré musia vydržať skromné ​​výrobné série.

PETGje medzi PLA a ABS - tuhšie ako ABS s modulom približne 2,0 – 3,0 GPa, pevnejšie ako PLA a ľahko sa tlačí. Jeho 70 stupňová tepelná deformácia ho robí vhodným pre matrice, ktoré nezaznamenajú výrazné zahrievanie trením.

Nylon (PA6/PA12)je ťahúňom pre funkčné polymérové ​​nástroje. S pevnosťou v ťahu 60–80 MPa, vynikajúcou odolnosťou proti nárazu a tepelnou deformáciou nad 120 stupňov nylon zvláda opakované cykly stláčania oveľa lepšie ako PLA alebo ABS. Samomazný-povrch znižuje trenie o plech. Nevýhodou je absorpcia vlhkosti - pred tlačou vysušte filament, inak bude matrica nedostatočne výkonná.

Kompozity z uhlíkových-vlákien (CF-nylon)zatlačte polymérové ​​matrice smerom k ich stropu. Tuhosť vyskočí na 6–10 GPa, pevnosť v ťahu dosahuje 80–100+ MPa a tepelná deformácia dosahuje 150–160 stupňov. Tieto kompozitné matrice odolávajú deformácii pri zaťažení, ktoré by rozdrvilo štandardný nylon. Na tlač si vyžadujú dýzu z tvrdenej ocele a sú podstatne drahšie, ale na tvarovanie mäkkej ocele do hrúbky asi 0,6 mm predstavujú hornú hranicu toho, čo môžu lisy na tvarovanie polymérového kovu zvládnuť.

SLA živicevynikajú skôr povrchovou úpravou než odolnosťou. Pevná živica 10K dosahuje pevnosť v ťahu 88 MPa a tuhosť 10 GPa, ale jej extrémna krehkosť (vrub Izod len 20 J/m) spôsobuje, že pri opakovanom lisovaní je náchylná na praskanie-. Rezervné matrice SLA na razenie, razenie alebo jedno{7}}použitie kontroly geometrie, kde sa detaily povrchu prenášajú priamo na vytvarovaný diel.

Voľby kovového prášku pre odolné matrice

Keď polymér nedokáže prežiť pôsobiace sily, kovové prášky vytlačené fúziou laserového prášku alebo viazaným kovovým nanášaním poskytujú nástroj výrobnej{0}}triedy. Materiálová krajina sa tu mapuje priamo na tradičné zápustkové ocele:

Martenzitická oceľ (MS1/18Ni-300)je najbežnejšou voľbou pre tlačené raznice. Po tepelnom spracovaní starnutím-dosahuje tvrdosť 50–55 HRC s vynikajúcou húževnatosťou. Obrába a EDM-jednoducho dokončuje po-tlači, vďaka čomu je praktický pre matrice, ktoré vyžadujú prísne tolerancie povrchu. Maragingová oceľ je vhodná pre stredné-až{9}}veľkoobjemové{10}}lisovanie mäkkej ocele a hliníka.

Nástrojové ocele (H13, H11)poskytujú odolnosť proti opotrebeniu, ktorú pozná každý výrobca nástrojov.H13 a H11 kombinujú vysokú pevnosť s vynikajúcou odolnosťou proti korózii, vďaka čomu sú ideálne pre aplikácie pri práci za tepla- alebo pri formovaní brúsnych vysokopevnostných ocelí-. Tlač H13 vyžaduje starostlivé tepelné riadenie, aby sa zabránilo praskaniu, ale výsledná matrica má porovnateľnú výkonnosť ako jej kovaný ekvivalent.

Nehrdzavejúca oceľ (316L, 17-4 PH)ponúka odolnosť proti korózii a dobré mechanické vlastnosti pri nižších nákladoch ako nástrojové ocele. 17-4 PH, precipitačná-trieda kalenia, po tepelnom spracovaní dosahuje tvrdosť až 40 HRC. Funguje dobre pri tvarovaní nehrdzavejúcich plechov alebo pri prevádzke v korozívnych prostrediach, hoci jej odolnosť proti opotrebeniu zaostáva za nástrojovými oceľami určenými na veľké-objemové práce.

Inconel (718/625)zvláda extrémne podmienky - vysokoteplotné razenie{1}}, tvarovanie plechov zo superzliatiny alebo aplikácie zahŕňajúce korozívne prostredie. Jeho vysoká-pevnosť a odolnosť proti korózii-umožňujú jeho životaschopnosť tam, kde by iná zápustková oceľ zmäkla alebo korodovala. Kompromisom sú náklady a opracovateľnosť; Raznice Inconel sú drahé na tlač a náročné na konečnú úpravu.

Prispôsobenie materiálu požiadavkám aplikácie

Namiesto toho, aby ste zvolili najsilnejšiu alebo najlacnejšiu možnosť, priraďte materiál k štyrom kľúčovým rozhodovacím faktorom. Použite tento kontrolný zoznam ako počiatočný rámec:

• Tvarovacia sila pod 5 kN, tenká hliníková alebo medená fólia:PLA alebo PETG (najnižšie náklady, najrýchlejší obrat)
• Tvarovacia sila 5–20 kN, mäkká oceľ do 0,6 mm:Nylon alebo CF-nylonové kompozity (najlepší pomer pevnosti-k-nákladom v polyméri)
• Kritická povrchová úprava, veľmi nízky objem:SLA Rigid 10K Resin (prenáša jemné detaily, na jedno-použitie)
• Tvarovacia sila nad 20 kN, stredný-až{2}}vysoký objem:Martenzitická oceľ alebo nástrojová oceľ H13 (trvanlivosť-výrobnej triedy)
• Korozívne prostredie alebo tvarovanie nehrdzavejúceho plechu:17-4 PH nerez alebo Inconel (chemická odolnosť bez obetovania tvrdosti)
• Objem výroby pod 100 dielov:Polymérové ​​matrice ponúkajú najlepšiu nákladovú výhodu
• Objem výroby 100–10 000 dielov:Kovové-tlačidlá sa stávajú ekonomickými pri zohľadnení frekvencie výmeny
• Objem výroby nad 10 000 dielov:Vyhodnoťte kovové-tlačené matrice v porovnaní s konvenčnými obrábanými nástrojmi na-základe jednotlivých dielov

Majte na pamäti, že výber materiálu priamo ovplyvňuje, ako dlho vaša kocka vydrží a ako nakoniec zlyhá. Nylonová matrica CF- môže dodať 200 dokonalých dielov predtým, ako opotrebovanie povrchu zníži kvalitu, zatiaľ čo matrica z ocele s vysokou pevnosťou si zachováva toleranciu počas 50 000 cyklov. Tieto rozdiely v životnosti - a konkrétne režimy zlyhania, ktoré ich spôsobujú -, určujú, či bol váš výber materiálu správny pre ďalšiu výrobu.

Kompatibilita plechu s 3D tlačenými nástrojmi

Váš materiál kocky rozpráva len polovicu príbehu. Druhá polovica? Čo vlastne tvoríte. Nylonová matrica z uhlíkových-vlákien, ktorá preniká cez 0,5 mm hliník, praskne pri prvom stretnutí s 1,0 mm nehrdzavejúcou oceľou. Samotný plech -, jeho tvrdosť, hrúbka a elastické správanie - určuje, či je 3D tlačená matrica praktický nástroj na tvarovanie plechu alebo recept na stratený čas a rozbitý plast.

Ako tvrdosť plechu ovplyvňuje realizovateľnosť lisovnice

Tvrdosť určuje, akej sile plech odoláva počas tvarovania a táto sila sa prenáša priamo do vašej matrice. Mäkké kovy, ako je mŕtva-mäkká meď a hliník série 1100{15}}výťažnosť približne 35 – 70 MPa. Mäkká oceľ (AISI 1018/1020) vyskočí na medzu klzu 250–350 MPa. Nehrdzavejúca oceľ (304/316) tlačí ešte ďalej, s medzami klzu 200 – 290 MPa v žíhanom stave, ale s výrazne vyššími rýchlosťami{17}}pracovného kalenia, ktoré zvyšujú zaťaženie pri postupe tvárnenia. Vysokopevnostné ocele - ako DP980 a bórové ocele používané v automobilovom priemysle dosahujú medzu klzu nad 600 MPa.

Čo to znamená pre výber kociek? Polymérová matrica dokáže zvládnuť formovacie zaťaženie generované mäkkým hliníkom, pretože plech sa poddá skôr, ako matrica zažije nebezpečné tlakové napätie. Mäkká oceľ vyžaduje podstatne väčšiu silu na deformáciu, čo tlačí polymérové ​​matrice smerom k ich limitom zaťaženia aj pri tenkých mierach. Nehrdzavejúca oceľ a vysokopevné{2}} ocele vytvárajú tvárniace sily, ktoré prekračujú kompresnú kapacitu polyméru takmer v akomkoľvek praktickom scenári.

AkoVýrobca vysvetľujemäkká oceľ a mäkký hliník sú oveľa ťažnejšie ako materiály s vysokou{0}}pevnosťou, čo priamo ovplyvňuje tvarovacie sily a minimálne polomery ohybu. Vyšší obsah uhlíka v oceli alebo väčšia tvrdosť v hliníku znižuje ťažnosť a tvárnosť, zvyšuje potrebnú silu a minimálny polomer, ktorý je možné vyrobiť. Toto zvýšenie sily je to, čo vás posúva od polymérových nástrojov k kovovým-tlačeným alebo konvenčným matriciam.

Vzťahy medzi hrúbkou a formovaním

Hrúbka znásobuje požiadavky na silu ne-lineárne. Zdvojnásobenie hrúbky plechu neznamená jednoducho zdvojnásobenie tonáže -, ale zhruba štvornásobok pri ohýbacích operáciách, pretože tvarovacia sila sa vo väčšine rovníc tvarovania lisovaného kovu rovná druhej mocnine hrúbky materiálu. Polymérová matrica, ktorá pohodlne vytvára 0,5 mm hliník, môže katastrofálne zlyhať pri 1,5 mm rovnakého materiálu, aj keď sa typ kovu nezmenil.

Tu je praktický spôsob, ako o tom premýšľať. Meradlá plechu bežne používané pri razení sa pohybujú v rozmedzí približne od 0,005 do 0,249 palca (asi 0,13 až 6,3 mm). Na tenkom konci zostávajú formovacie sily dostatočne nízke na obrábanie polymérov vo väčšine kovov. Na hrubom konci si dokonca aj hliníková doska vyžaduje sily, ktoré dokážu vydržať iba kovové-tlačidlá alebo lisy z tvrdenej ocele.

Kritický prah pre polymérne FDM matrice má tendenciu pristáť okolo:

• Zliatiny hliníka:do 1,0–1,5 mm (v závislosti od tvrdosti zliatiny a zložitosti geometrie)
• Meď a mosadz:do 0,8-1,0 mm
• Mäkká oceľ:do 0,5 – 0,8 mm (s vysoko{2}}pevnými kompozitnými vláknami)
• Nerezová oceľ:vo všeobecnosti nie je možné použiť polymérové ​​matrice, bez ohľadu na hustotu výplne

Za týmito hranicami tlakové a šmykové sily počas tvarovania presahujú to, čo dokáže vydržať aj 100 % výplňový uhlíkový-vláknový nylon bez drvenia povrchu alebo delaminácie vrstiev. Všimnete si, že matrica sa začne deformovať skôr, ako plech - jasne označí, že ste prekročili kapacitu nástroja.

Jarné-stratégie kompenzácie

Každá tvarovaná kovová časť sa po uvoľnení lisovacej sily vráti späť do pôvodného plochého tvaru. Pruženie-späť je uvoľnenie elastického napätia, ktoré sa mení priamo s medzou klzu materiálu. Mäkký hliník sa môže pri jednoduchom ohnutí odskočiť o 1 až 2 stupne, zatiaľ čo nehrdzavejúca oceľ{5}} alebo vysokopevná oceľ sa môžu pri rovnakej geometrii odskočiť o 5 až 10 stupňov alebo viac.

V prípade 3D tlačených foriem, kompenzácia-spätnej pružiny znamená nadmerné-prehnutie - navrhnutie formy tak, aby vytvorila list za cieľovým uhlom, aby sa uvoľnil späť do správnej polohy. Obrobok z plechu s 2 stupňami pruženia-dozadu vyžaduje uhol razenia aspoň o 2 stupne ostrejší ako cieľový, aby sa zohľadnilo toto elastické zotavenie. Ako sa polomer zväčšuje v porovnaní s hrúbkou materiálu, pruženie-späť sa zväčšuje ďalej, niekedy výrazne.

Kompenzačné stratégie sa líšia podľa typu matrice:

• Polymérne formy:Keďže sú lacné a rýchlo sa vytlačia, môžete ich rýchlo opakovať. Vytlačte, vytvarujte, zmerajte-uhol chrbta, potom upravte svoj CAD model a znova vytlačte. Tento prístup-a{4}}omyl funguje dobre, pretože každá iterácia stojí minimálne čas a materiál.
• Kovové-tlačidlá:Najprv iterujte v polyméri, aby ste napravili-spätnú kompenzáciu pružiny, potom sa pustite do kovovej tlače s opravenou geometriou. Oprava kovovej-tlačovej matrice je nákladná, takže je dôležité vopred správne uhol.
• Materiály s vysokou{0}}výťažnosťou-:Zvážte odľahčenú geometriu lisovnice so zahrnutými uhlami 78 alebo 73 stupňov, ktoré umožňujú hlbšie preniknutie razníka na prekonanie pruženia späť-bez interferencie medzi čelnými plochami lisovnice a materiálom.

Smer vlákna plechu tiež ovplyvňuje tvárniacu silu a{0}}pruženie späť. Tvarovanie so zrnom (pozdĺžne) vyžaduje menšiu ohybovú silu, pretože ťažnosť sa v tomto smere ľahko naťahuje, ale pozdĺžne ohýbanie zvyšuje riziko praskania povrchu a vyžaduje väčší polomer ohybu. Tvarovanie cez zrno (priečne) zvyšuje tonáž, ale akceptuje užšie polomery. Pri navrhovaní 3D tlačenej matrice si overte, či budú vaše polotovary orientované s alebo proti vláknam, a podľa toho upravte veľkosť polomeru matrice a kompenzačného uhla.

Pri čítaní tejto tabuľky buďte k sebe úprimní. Položky „Okrajové“ znamenajú, že úspech do značnej miery závisí od jednoduchosti geometrie, nastavení tlače a rýchlosti tvarovania. Tvar plytkého kanála z 0,5 mm mäkkej ocele pomocou CF-nylonovej matrice? Možné, s konzervatívnymi parametrami. Hlboký ťah pri rovnakom rozchode? Kocka neprežije. Nehrdzavejúca oceľ a vysoko{6}}pevné materiály si vyžadujú kov{7}}vytlačený alebo konvenčné nástroje -, žiadny vzor výplne alebo trik s hrúbkou steny fyzikálne vlastnosti nezmení.

Skutočnou hodnotou pochopenia týchto limitov kompatibility je vyhnúť sa zbytočným výtlačkom a chybným dielom. Zosúlaďte svoj typ plechu a meradlo so správnou triedou matrice od začiatku a svoj čas strávite zdokonaľovaním geometrie namiesto pretlačovania rozbitých nástrojov. Praktický pracovný postup začína procesom zdokonaľovania - od počiatočného návrhu CAD cez tlač, následné{3}}spracovanie a vytvorenie prvého článku -.

Kompletný pracovný postup od návrhu CAD až po tvarovaný diel

Vedieť, ktoré materiály a plechy spolupracujú, je nevyhnutné, ale nepomôže vám to, kým skutočne nevyrobíte funkčnú matricu a nevyrazíte s ňou dobrú časť. Kompletný pracovný postup pri navrhovaní 3D tlačených foriem zahŕňa šesť rôznych etáp, z ktorých každá obsahuje rozhodnutia, ktoré priamo ovplyvňujú, či vaše nástroje prežijú výrobu alebo zlyhajú v prvom cykle.

1. CAD dizajn so špecifickými{0}}doplnkami
2. Nastavenie parametrov krájania a tlače
3. Tlač matrice
4. Po{0}}spracovaní a overení rozmerov
5. Nastavenie lisu a formovanie prvého článku
6. Plánovanie údržby a výmeny matrice

Poďme si prejsť každú fázu s praktickými detailmi, ktoré potrebujete na to, aby ste to zvládli hneď na prvýkrát.

Úvahy o CAD dizajne a aditívnej výrobe

Keď pristupujete k dizajnu CAD pre lisovaciu formu v aditívnom kontexte, navrhujete súčasne dve skutočnosti: operáciu tvarovania a proces tlače. Ignorujte ktorýkoľvek z nich a skončíte s kockou, ktorá sa buď nedá vytlačiť čisto, alebo neprežije tlačové zaťaženie.

Hrúbka a hmotnosť steny.Polymérové ​​raznice potrebujú podstatne väčší objem, než by ste očakávali. Minimálna hrúbka steny pre nástroje FDM by mala byť 8–12 mm v nosných-oblastiach. Tenké prierezy-pod 2 mm sa rýchlo deformujú pri tlakovom zaťažení a teplu, naprVýskum Formlabs potvrdzujeHrúbka povrchu - menšia ako 1–2 mm sa pri tvarovaní teplom deformuje. Pre kovové-tlačidlá s potlačou 3–5 mm časti steny zvyčajne poskytujú primeranú tuhosť, pretože samotný materiál nesie podstatne vyššie zaťaženie na jednotku plochy.

Uhly ponoru.Zahrňte 3–5 stupňov ťahu na všetkých zvislých stenách dutiny formy. Slúži to na dvojaký účel: uľahčuje to vyhadzovanie dielu po tvarovaní (bráni tomu, aby sa plech zablokoval v matrici) a zlepšuje potlačiteľnosť znížením previsov, ktoré vyžadujú podporné konštrukcie. Najmä v prípade polymérových lisovníc uhly úkosu znižujú sily pri vyberaní z formy, ktoré môžu odštiepiť alebo popraskať povrch nástroja.

Stratégie posilňovania.Polymérové ​​matrice zriedka fungujú ako samostatné monolitické nástroje pri zaťažení lisom. Navrhnite svoju matricu tak, aby bola integrovaná s opornou doskou - zvyčajne hliníkovou alebo oceľovou doskou, ktorá rozdeľuje silu cez zadnú stranu matrice. Naplánujte si vybrania alebo otvory pre skrutky vo svojom modeli CAD na upevnenie tlačenej matrice na túto nosnú štruktúru. Niektorí dizajnéri vkladajú do výtlačku oceľové hmoždinky alebo skrutky pozastavením tlače uprostred-a vložením hardvéru, čím vytvárajú kompozitný nástroj, ktorý zvládne oveľa väčšiu záťaž ako samotný polymér.

Vzor výplne pre 3D tlačené nástroje.Toto je miesto, kde rozhodnutia internej geometrie priamo určujú životnosť matrice. Aplikáciám nástrojov dominujú tri vzory:

• Gyroid:Poskytuje takmer-izotropnú silu, čo znamená, že odoláva silám približne rovnako vo všetkých smeroch.Plynulá zakrivená geometria gyroidutiež ponúka vynikajúcu odolnosť voči šmykovým silám. Pri lisovacích nástrojoch, ktoré sú vystavené zaťaženiu mimo-osy alebo zložitým tvarovacím geometriám, je predvoleným odporúčaním gyroid s hustotou 60 – 80 %.
• Kubický:Vytvára trojrozmernú mriežkovú štruktúru, ktorá vyniká pri vertikálnej odolnosti proti stlačeniu. Ak vaše formovacie zaťaženie prebieha primárne priamo dole cez matricu (jednoduché V-ohyby, kanálové tvary), kubická výplň s hustotou 50 – 70 % poskytuje silný výkon s menším množstvom materiálu ako gyroid pri rovnakej pevnosti.
• Mriežka:Najjednoduchší a najrýchlejší-vzor tlače s kolmými čiarami tvoriacimi štvorce. Mriežka dobre zvláda priamu vertikálnu kompresiu, ale funguje zle pri šmykovom zaťažení alebo mimo{2}}osovom zaťažení. Používajte ho len pre matrice s plochým{4}}dnom s čisto kompresným zaťažením -, nikdy nie pre matrice so šikmými tvarovacími plochami.

Pre väčšinu aplikácií raziacich foriem vám gyroid s hustotou výplne 70 % alebo vyššou poskytuje najlepšiu kombináciu pevnosti v tlaku a konzistentného výkonu v rôznych smeroch zaťaženia. Prechod na 100 % výplň len zriedka stojí za pridaný čas tlače - výskum ukazuje klesajúci návrat pevnosti nad 60 – 80 % hustoty, zatiaľ čo čas tlače sa lineárne zvyšuje.

Príspevok na akcie.Naplánujte extra materiál (minimálne 0,5 mm) na kritické tvarovacie povrchy. Toto odstránite počas následného-spracovania, aby ste získali konečné rozmery. Je oveľa jednoduchšie brúsiť alebo strojom odstraňovať dodatočný materiál, ako znova vytlačiť matricu s nízkou veľkosťou.

Parametre tlače a spracovanie{0}}posielok

S optimalizovaným CAD modelom premietnu nastavenia rezania tieto konštrukčné zámery do fyzickej reality.

Výška vrstvy:Na vytvorenie povrchov, ktoré sú v kontakte s plechom, použite vrstvy 0,1–0,15 mm. Jemnejšie vrstvy znamenajú hladšie povrchy a lepšiu rozmerovú presnosť, pričom obe sa prenášajú priamo na kvalitu tvarovaného dielu. Pre ne-kritické oblasti (zadné plochy, montážne povrchy) 0,2–0,3 mm vrstvy urýchlia veci bez penalizácie.

Orientácia tlače:Nasmerujte matricu tak, aby formovacie záťaže stlačili vrstvy k sebe, namiesto toho, aby ste sa ich pokúšali oddeliť. Pre V- matricu to znamená tlač s tvarovacou dutinou smerujúcou nahor a vrstvenie na seba rovnobežne s čelom matrice. Delaminácia vrstvy pri ťahovom zaťažení je najbežnejším spôsobom zlyhania nástrojov FDM - správna orientácia tomu bráni.

Počet obvodov:Zvýšte vonkajšie vrstvy stien na minimum 4–6 obvodov. Tieto pevné vonkajšie plášte prenášajú väčšinu tlakových zaťažení a chránia vnútornú výplň pred priamym kontaktom s plechom. Viac obvodov tiež zlepšuje odolnosť povrchu.

Následné spracovanie 3D tlačených foriem premosťuje priepasť medzi surovou tlačou a funkčným nástrojom:

1. Podpora odstraňovania a čistenia:Odstráňte všetok podporný materiál, pričom osobitnú pozornosť venujte tvarovaniu povrchov. Všetky zostávajúce výstupky alebo značky sa telegrafujú do vašich vytvorených častí.
2. Povrchová úprava:Pieskovanie povrchov pomocou progresívnych zrnitostí - 120 až 220 až 400 -, aby sa eliminovali čiary vrstiev. Pri polymérových matriciach vytvára epoxidový povlak na tvarovacom povrchu tvrdšiu kožu, ktorá dlhšie odoláva opotrebovaniu. V prípade lisovníc SLA tryskanie médiami sklenenými guľôčkami vyhladzuje povrch a môže skutočne zlepšiť mechanické vlastnosti.
3. Overenie rozmerov:Zmerajte kritické rozmery pomocou posuvných meradiel alebo CMM. Porovnajte s vaším CAD modelom a všimnite si odchýlky. Typická rozmerová presnosť pre chod nástrojov FDM ±0,1–0,3 mm; SLA dosahuje ±0,05 mm. Ak sú kritické tvarovacie povrchy mimo špecifikácie, opracujte ich alebo obrúste na toleranciu s použitím vopred naplánovaného prídavného materiálu.
4. Tepelné spracovanie (iba kovové matrice):Kovové-tlačové matrice vyžadujú uvoľnenie stresu a často starnutie-vytvrdenie. Martenzitická oceľ napríklad potrebuje starnutie pri teplote približne 490 stupňov po dobu 6 hodín, aby dosiahla plnú tvrdosť (50–55 HRC). Preskočte tento krok a vaša kovová matrica bude výrazne slabšia.

Stlačte Nastavenie a Formovanie prvého článku

Vaša kocka je vytlačená, dokončená a rozmerovo overená. Správne uvedenie do lisu určuje, či tento prvý zásah vytvorí dobrý diel alebo zničený nástroj.

Integrácia podpornej dosky:Nikdy neumiestňujte polymérovú matricu priamo na lisovacie lôžko bez kovovej podložnej dosky. Doska rozdeľuje silu piestu po celej ploche lisovnice, čím zabraňuje lokalizovanému rozdrveniu. Použite brúsenú plochú hliníkovú platňu s hrúbkou minimálne 6 mm pre aplikácie s nízkou tonážou- alebo oceľovú platňu pre čokoľvek nad 10 kN. Pripevnite matricu k opornej doske pomocou skrutiek, svoriek alebo zapustenej kapsy, ktorá zabraňuje bočnému pohybu počas tvárnenia.

Zarovnanie:Namontujte centrovacie kolíky alebo použite registračné prvky vytlačené do polovíc matrice, aby ste zaistili zarovnanie raznice-k{1}}tlačidle. Vychýlenie už o 0,5 mm spôsobuje nerovnomerné zaťaženie, ktoré urýchľuje opotrebovanie matrice na jednej strane a vytvára nesúdržné diely.

Nastavenia rýchlosti a sily:Začnite konzervatívne. Znížte rýchlosť lisu na 50 % toho, čo by ste použili s konvenčnými nástrojmi. Polymérové ​​matrice netolerujú nárazy tak, ako to robí kalená oceľ. - pomalšie rýchlosti piestu umožňujú materiálu progresívne absorbovať formovacie zaťaženie namiesto toho, aby bol vystavený nárazom. Z rovnakého dôvodu znížte tonáž na minimum, čím sa dosiahne úplné tvarovanie, a potom postupne zvyšujte, ak diel nie je úplne vytvarovaný.

Prvá kontrola článku:Vytvorte jednu časť, odstráňte ju a zmerajte ju podľa cieľových rozmerov. Skontrolujte:

• Odchýlka-spätnej pružiny (porovnanie skutočného uhla s cieľovým uhlom)
• Povrchové stopy alebo škrabance prenesené z čiar matrice
• Rozmerová presnosť pri kritických funkciách
• Akékoľvek známky deformácie matrice (lesklé miesta, stopy po stlačení na povrchu matrice)

Ak spätná pružina-prekročí toleranciu, upravte geometriu lisovnice podľa kompenzačných stratégií, o ktorých sme hovorili vyššie, a znova vytlačte. Ak sa objavia povrchové stopy, odstráni ich dodatočné brúsenie alebo náter. Ak matrica po jedinom zásahu vykazuje stopy po stlačení, váš výber materiálu alebo hustota výplne nie je adekvátna pre použité formovacie sily - prejdite na tuhšiu triedu materiálu, namiesto toho, aby ste pretlačili rovnakú špecifikáciu.

Cyklus údržby:Skontrolujte povrch matrice každých 10 – 20 dielov, či sa v nich nenachádzajú polymérové ​​nástroje, a každých 500 – 1 000 dielov, ak ide o kovové-tlačidlá. Vzory opotrebovania sa prejavujú ako otupenie povrchu, zaoblenie hrán alebo mikro-trhliny pri koncentráciách napätia. Ľahké brúsenie medzi jednotlivými sériami môže predĺžiť životnosť polymérovej matrice, zatiaľ čo kovové matrice profitujú z pravidelného leštenia tvarovacích povrchov. Sledujte rozmerový posun na svojich tvarovaných dieloch -, keď sa merania priblížia k hraniciam tolerancie, lisovnica sa blíži ku koncu životnosti.

Tento{0}}koniec{1}}proces - navrhovanie, tlač, dokončenie, nastavenie, tvarovanie, údržba - zvyčajne trvá 24 – 72 hodín v prípade polymérových foriem a 1 – 2 týždne v prípade kovových-tlačených foriem vrátane tepelného spracovania. Porovnajte to so 4–8 týždňami pri konvenčne obrábaných nástrojoch a časová výhoda bude jasná. Na rýchlosti však záleží len vtedy, ak matrica skutočne vydrží dostatočne dlho na dokončenie vašej produkcie, čo vyvoláva kritickú otázku, ako tieto nástroje zlyhajú a čo môžete urobiť, aby ste tomu zabránili.

Analýza životnosti nástroja a režimu zlyhania

Rýchlosť od CAD k prvému článku je pôsobivá, ale na ničom z toho nezáleží, ak sa kocka v polovici vášho behu rozpadne. Ako dlho vydržia 3D tlačené matrice? Úprimná odpoveď: úplne závisí od toho, ako zlyhajú, a každá 3D tlačená matrica nakoniec zlyhá prostredníctvom jedného zo štyroch predvídateľných mechanizmov. Pochopenie týchto režimov zlyhania lisovacej matrice - a návrh okolo nich - je to, čo oddeľuje úspešnú krátku jazdu od hromady rozbitých plastov a vyradených dielov.

Bežné poruchové režimy v 3D tlačených razidlách

Každá aditívne vyrobená matrica má svoje vlastné slabé stránky spojené s procesom vytvárania vrstiev-pod-vrstvou. Tieto slabé stránky sa prejavujú ako odlišné vzory porúch, z ktorých každý má iné varovné signály a rôzne dôsledky pre vaše tvarované diely.

• Delaminácia vrstiev pri opakovanom zaťažení tlakom.Toto je najbežnejší a najnáhlejší spôsob zlyhania v FDM polymérových matriciach. Každá potlačená vrstva sa spája s vrstvou pod ňou tepelnou fúziou, ale táto väzba je slabšia ako samotný sypký materiál. Opakované lisovacie cykly vytvárajú cyklické tlakové a ťahové napätia na rozhraniach vrstiev. Postupom času sa mikro-trhliny vytvárajú na týchto hraniciach a šíria sa, až kým sa celé časti neoddelia. Výskum na3D-vytlačené kompozitné štruktúrypotvrdzuje, že interlaminárne ťahové napätie na hraniciach vrstiev riadi iniciáciu delaminácie -, keď je prekročená interlaminárna pevnosť v ťahu (ILTS), zlyhanie je skôr náhle ako postupné. Často budete počuť ostré prasknutie a matrica sa rozdelí pozdĺž čiary vrstvy bez predchádzajúceho varovania.
• Degradácia povrchového opotrebovania ovplyvňujúca povrchovú úpravu dielu.Každý raziaci cyklus zahŕňa kĺzanie plechu proti čelu lisovnice pod silou. Toto posúvanie postupne obrusuje povrch matrice, vyhladzuje jemné detaily a rozširuje tolerancie. V polymérových matriciach sa opotrebovanie prejavuje ako leštený lesk vznikajúci na-kontaktných plochách, po ktorom nasleduje strata rozmerov, keď sa materiál fyzicky odstraňuje. Kovové-tlačidlá s potlačou odolávajú tomuto oveľa dlhšie, no stále sa zhoršujú -, najmä ak povrchová úprava z tlače zanecháva mikro-vrcholy, ktoré pôsobia ako počiatočné body opotrebovania.
• Tepelná degradácia v dôsledku nahromadenia tepla trením.Trenie medzi plechom a povrchom matrice vytvára teplo pri každom lisovacom cykle. Pri výrobných rýchlostiach sa toto teplo akumuluje rýchlejšie, ako ho matrica dokáže rozptýliť. Polymérové ​​matrice sú obzvlášť zraniteľné, pretože ich teploty tepelného ohybu sú relatívne nízke. Akonáhle sa teplota povrchu matrice priblíži k týmto prahovým hodnotám, tvárniaci povrch sa plasticky deformuje pri zaťažení, ktoré predtým dobre zvládal. Všimnete si, že tvarované časti sú postupne menej presné, ako matrica „hubuje“ vo vysokých-kontaktných bodoch.
• Porucha kompresie v dôsledku prekročenia medze klzu materiálu.Toto je najpriamejšie zlyhanie: tvarovacia sila jednoducho presahuje to, čomu môže materiál matrice odolať. Forma sa rozdrví, praskne alebo sa natrvalo zdeformuje pri prvom údere alebo počas niekoľkých prvých cyklov. Na rozdiel od iných režimov nie je zlyhanie kompresie progresívne -, je okamžité a katastrofálne. Stáva sa to, keď operátori podcenia tvárniace sily, použijú plech hrubší, než na aký bol nástroj navrhnutý, alebo preskočia integráciu nosnej dosky.

Tieto štyri režimy nefungujú izolovane. Forma, ktorá prechádza tepelným zmäkčovaním, sa pri nižšom zaťažení oddelí. Forma s povrchovým opotrebovaním vytvára koncentrácie napätia, ktoré urýchľujú separáciu vrstiev. V praxi väčšina polymérových lisovníc zlyhá v dôsledku kombinácie - tepelného zmäkčovania oslabuje štruktúru, potom delaminácia prináša posledný úder.

Stratégie zmierňovania prostredníctvom dizajnu a výberu materiálu

Každý režim zlyhania reaguje na špecifické protiopatrenia. Zlyhanie nemôžete úplne odstrániť, ale môžete ho posunúť ďalej v rámci časovej osi výroby.

• Proti delaminácii:Orientácia tlače je vašou najsilnejšou obranou. Orientovať matrice tak, že formovacie záťaže stlačia vrstvy dohromady, namiesto toho, aby sa ich snažili oddeliť. Použite gyroidnú výplň s hustotou 70 %+ na rovnomerné rozloženie interlaminárneho napätia. Zväčšite obvodové plášte na 5–6 stien, čím vytvoríte hrubú pevnú hranicu, ktorá odoláva šíreniu trhlín. V prípade kritických nástrojov zvážte vystuženie súvislými vláknami (CF-nylonové kompozity) - vložené uhlíkové vlákna premosťujú hranice vrstiev a dramaticky zvyšujú medzilaminárnu pevnosť v šmyku.
• Proti povrchovému opotrebovaniu:Naneste tenký epoxidový alebo uretánový náter na povrchy tvoriace polymérové ​​formy. Táto tvrdá koža odoberá oder namiesto základného materiálu a môže byť znovu aplikovaná medzi jednotlivými sériami. V prípade kovových-tlačných matríc po-spracovaní s povrchovým leštením, aby ste odstránili-vytlačené vrcholy drsnosti, ktoré urýchľujú počiatočné opotrebovanie. Zvážte povrch kovových lisovníc s brokovaním na vyvolanie zvyškového napätia v tlaku, ktoré odoláva iniciácii prasklín v miestach opotrebovania.
• Proti tepelnej degradácii:Spomaľte cyklus lisovania. Pridanie dokonca niekoľkých sekúnd medzi zásahmi umožňuje rozptyľovanie trecieho tepla. Používajte materiály s vyššou tepelnou deformáciou - CF-Nylon na bežnom nylone, nylon na ABS, ABS na PLA. Pre operácie s vysokým-cyklom-začleňujte do svojej výrobnej sekvencie prestávky chladenia (razenie 10 dielov, pauza 30 sekúnd). Raznice s{10}}kovovou potlačou tento problém do značnej miery eliminujú, pretože nástrojové ocele si zachovávajú svoje vlastnosti výrazne nad akoukoľvek trecou teplotou vznikajúcou počas lisovania pri izbovej teplote.
• Proti zlyhaniu kompresie:Vždy používajte kovovú podpornú dosku, ktorá rozdeľuje lisovaciu silu po celej ploche matrice. Nikdy neprekračujte 60 – 70 % publikovanej pevnosti v tlaku materiálu lisovnice počas prevádzky - táto bezpečnostná rezerva zodpovedá za zníženú pevnosť tlačených dielov v porovnaní s tuhými vstrekovanými-ekvivalentmi alebo kovaním. Ak máte pochybnosti, pred prvým lisovacím cyklom spustite výpočet sily: ak požadovaná tvarovacia sila presahuje 50 % menovitej kapacity vašej matrice, prejdite na silnejšiu triedu materiálu.

Prevádzkové postupy sú dôležité rovnako ako dizajn. Namažte plech ľahkým lisovacím olejom alebo mazivom na suchú fóliu, aby ste súčasne znížili trecie sily a povrchové teploty. V pravidelných intervaloch kontrolujte matricu - každých 10 – 25 cyklov na prítomnosť polyméru, každých 500 – 1 000 na kov. Polymérové ​​matrice radšej vymeňte ako opravte; sú lacné a dostatočne rýchle na to, aby dotlačili, že prevádzkovanie poškodeného nástroja riskuje zošrotovanie tvarovaných dielov.

Očakávania životnosti matrice podľa triedy materiálu

Ako dlho teda vydržia 3D vytlačené raznice v skutočnej-svetovej produkcii? Tu je to, čo môžete očakávať v celom spektre materiálov, za predpokladu správneho dizajnu, orientácie a prevádzkových postupov:

Tieto rozsahy predpokladajú tvarovanie tenko{0}}hliníka alebo mäkkej ocele. Tvrdšie plechy dramaticky skracujú životnosť - tvarovanie nehrdzavejúcej ocele pomocou CF-nylonovej matrice môže poskytnúť iba 10 až 30 dielov, kým sa povrch zhorší nad prijateľnú toleranciu. Protolabs uvádza, že dokonca aj v prípade vstrekovacích foriem (porovnateľne zaťažené{7}}nástrojové aplikácie) sa 3D-vytlačené polymérové ​​nástroje zvyčajne stanú neúčinnými do 100 výstrelov, zatiaľ čo kovové nástroje môžu dosiahnuť 10 000 výstrelov a viac. Lisovacie raznice čelia podobnej fyzike, aj keď profil zaťaženia sa líši.

Opotrebenie a životnosť lisovnice v konečnom dôsledku závisí od rozhodnutia o objeme výroby. Polymérové ​​matrice majú ekonomický zmysel, keď potrebujete menej ako 100 – 500 dielov a môžete tolerovať pravidelnú dotlač. Kovové-tlačidlá s potlačou ospravedlňujú ich vyššie počiatočné náklady, keď objemy dosiahnu stovky alebo tisíce, kde jeden výtlačok nahradí desiatky dotlačov polymérov. A konvenčné obrábané nástroje zostávajú správnou odpoveďou pre objemy presahujúce 100 000 dielov, kde amortizované náklady na diel klesnú pod úroveň, ktorej sa môže vyrovnať akýkoľvek aditívny prístup.

Vedieť, kde vaša kocka zlyhá - a približne kedy - transformuje otázku životnosti 3D tlačenej kocky z dohadov na plánovanie. Môžete si naplánovať náhradné výtlačky, rozpočítať náklady na materiál v rámci celej výrobnej série a informovať sa o tom, či hospodárnosť jednotlivých dielov aditívnych nástrojov skutočne prekonáva tradičné metódy. Toto porovnanie nákladov{6}}prínosov si zaslúži vlastný štruktúrovaný rámec.

Rámec nákladov-prínosov pre rozhodnutia o nástrojoch

Znalosť režimu zlyhania vám poviekedymatricu je potrebné vymeniť. Koľko výmenných cyklov si však môžete dovoliť, kým sa ekonomika neobráti proti vám? Skutočnou otázkou, ktorá stojí za každou diskusiou o nákladoch na 3D tlačenú matricu v porovnaní s tradičnými nástrojmi, nie je, ktorá metóda je lacnejšia na matricu -, ide o to, ktorá metóda zabezpečí vašu celkovú produkciu pri najnižších nákladoch na tvarovaný diel.

Tento výpočet zahŕňa viac premenných, ako si väčšina ľudí uvedomuje. Poďme si to rozobrať.

Nákladové faktory v 3D tlačenej verzus konvenčné nástroje

Porovnanie nákladov na lisovanie musí brať do úvahy šesť rôznych nákladových faktorov, nielen cenu nálepky samotného nástroja:

• Cena materiálu matrice:Polymérna FDM matrica môže stáť 5 až 30 dolárov vo vlákne. Raznica SLA stojí približne 30 USD za domácu-tlač. Kovová-tlačnica z ocele s vysokou pevnosťou v ťahu začína okolo 200 – 500+ v závislosti od veľkosti a zložitosti. Bežne opracovaná nástrojová oceľová matrica zvyčajne stojí 450 – 2 $,000+ za ekvivalentnú geometriu.
• Čas tlače alebo spracovania:Polymérové ​​matrice vytlačia za 10–24 hodín. Kovové-tlačidlá vyžadujú 1 až 5 dní plus tepelné spracovanie. Bežné obrábanie a outsourcing trvá 15–25 pracovných dní. Čas sú peniaze, keď máte pevne stanovený termín výroby.
• Práca po{0}}spracovaní:Brúsenie, lakovanie, overovanie rozmerov a integrácia podpornej dosky pridávajú 1 až 4 hodiny na polymérnu matricu. Kovové-tlačové matrice potrebujú odľahčenie od napätia, povrchovú úpravu a prípadne EDM -, ktoré zvyšujú náklady, ktoré môžu predstavovať 15 – 40 % celkových nákladov na kovové komponenty AM.
• Vplyv doby lisovacieho cyklu:Polymérové ​​matrice vyžadujú nižšie rýchlosti piest, aby sa predišlo nárazovému zaťaženiu, čím sa znižuje priepustnosť o 30–50 % v porovnaní s nástrojmi z kalenej ocele. Pri stovkách súčiastok sa táto pokuta za rýchlosť sčítava v oblasti práce a strojového času.
• Frekvencia výmeny matrice:CF-Nylonová matrica s výdržou 200 dielov znamená päť opakovaných výtlačkov pri náklade 1 000-dielov. Každá výmena zvyšuje náklady na materiál, čas tlače a prácu pri nastavovaní. Kovovo potlačená matrica pokrýva rovnaký chod bez výmeny.
• Príležitostné náklady na dodaciu dobu:Čakanie 4–6 týždňov na konvenčné nástroje znamená oneskorené výnosy, zmeškané okná na trhu alebo nečinné montážne linky. Forma vytlačená cez noc vám umožní začať formovať zajtra. V prípade časovo-kritických projektov môže táto výhoda rýchlosti prevážiť vyššie-náklady na časť.

Analýza rozbitia objemu výroby

Analýza rentability kovových razidiel sa riadi predvídateľným vzorom. 3D tlač má takmer-nulové nastavovacie náklady, ale približne lineárne škálovanie nákladov - 50 častí stojí približne 50-násobok jednej časti. Konvenčné nástroje majú vysoké fixné náklady, ale rýchlo klesajú-jednotkové náklady, keďže sa tieto investície rozkladajú na viacero dielov. Kríženie závisí od triedy materiálu vašej matrice a miery výmeny.

Tu je návod, ako sa ekonomika mení naprieč objemovými úrovňami pre scenáre nákladov na nástroje na nízkoobjemové lisovanie:

Všimnite si zónu prechodu medzi 50 a 200 dielmi. Pod týmto rozsahom dominujú polymérové ​​matrice, pretože samotná matrica stojí tak málo, že aj viacnásobné výmeny zostávajú lacnejšie ako jeden konvenčne obrábaný nástroj. Odolnosť konvenčného náradia nad týmto rozsahom znamená nulové náklady na výmenu a vysoké fixné investície sa rozriedia na dostatok dielov, aby klesli pod hospodárnosť aditív na diel-.

Kovové-tlačové matrice zaujímajú strategický stred. Náklady sú vyššie ako polymér, ale eliminujú cyklus výmeny, ktorý narúša ekonomiku polyméru pri vyšších objemoch. Pre série 100 – 10 000 dielov často predstavujú „sladké miesto“ - dostatočne odolné na to, aby sa vyhli výmene, dostatočne rýchle na to, aby sa vyhli 4 – 6-týždňovej dodacej dobe konvenčného obrábania, a dostatočne schopné zvládnuť tvarovacie sily, ktoré polymér nedokáže vydržať.

Matematika sa ďalej mení, keď zohľadníte nestabilitu dizajnu. Ak sa geometria vášho dielu môže zmeniť po prvých 50 kusoch, potopenie 1 500 USD na konvenčné nástroje sa stáva povinnosťou. Polymérová matrica za 30 dolárov, ktorú môžete cez noc znova vytlačiť s aktualizovanou geometriou, nenesie takmer žiadne riziko, ak sa dizajn vyvinie. Táto prémia za flexibilitu sa neprejaví v jednoduchom -výpočte nákladov na časť, ale je skutočná - najmä počas cyklov vývoja produktu, kde sa overovanie a opakovanie uskutočňuje paralelne.

V konečnom dôsledku samotná analýza nákladov nezachytí úplný obraz. Najpraktickejšia stratégia často kombinuje metódy: polymérové ​​matrice na počiatočné overenie geometrie a prvé-testovanie výrobku, potom kovovú-tlač alebo konvenčnú matricu, keď sa dizajn stabilizuje na výrobu. Tento postupný prístup minimalizuje finančné riziko aj dodaciu lehotu -, vďaka čomu je koncept lacno overený pred investíciou do nástrojov.

Stratégie rýchleho prototypovania na overenie súčiastok

Postupný prístup - najskôr odumrie polymér, potom produkčné nástroje - fungujú iba vtedy, ak môžete skutočne potvrdiť, že súčiastka je správna ešte pred viazaním rozpočtu. To je miesto, kde sa validácia dielov pred výrobou nástrojov stáva skutočným strážcom. Vytlačenie matrice a vytvorenie niekoľkých kusov vám povie, či je geometria fyzicky dosiahnuteľná. Nemusí vám nevyhnutne povedať, či sa diel hodí do zostavy, či spĺňa špecifikácie pri zaťažení alebo či sa dá vyrobiť v mierke bez nákladných revízií.

Overenie vyrazeného komponentu vyžaduje viac ako jednu metódu. Vyžaduje si to správnu kombináciu metód aplikovaných v správnom štádiu vývoja.

Použitie 3D tlačených matríc na validáciu dielov

3D tlačené matrice vynikajú v jednej špecifickej úlohe overovania: dokazujú, že danú geometriu plechu je možné vytvarovať, že spätné pruženie- možno kompenzovať a že polotovar sa vyvíja správne. Keď prototypujete plech pomocou vlastnej-polymérovej matrice, odpovedáte na otázky o tvarovateľnosti - dá sa tento tvar vyraziť bez trhania, zvrásnenia alebo nadmerného pruženia-späť?

To je skutočne cenné. Zachytáva konštrukčné problémy, ktoré by sa inak objavili až po vytvorení drahých výrobných nástrojov. Tímy môžu opakovane overovať dizajn razidiel, opätovnú tlač upravených razidiel v priebehu hodín a testovanie viacerých revízií geometrie za jeden deň. Pre počiatočnú-fázu koncepčnej práce sa nič iné nevyrovná tejto rýchlosti.

Overenie tvarovateľnosti má však limity. Diel vytvorený na matrici z polyméru sa môže rozmerovo líšiť od tej istej časti vytvorenej na nástroji z kalenej ocele - iné povrchové trenie, iné elastické vychýlenie samotnej formy, iné tepelné správanie. Vytvorený prototyp potvrdzujepribližnégeometriu, nie výrobné-presné rozmery. Na kontrolu dosadnutia v tesných zostavách, rozhrania-kritické z hľadiska tolerancie alebo funkčné testovanie pri reálnom zaťažení potrebujete diely vyrobené metódami, ktoré sa približujú konečným výrobným podmienkam.

Integrácia viacerých metód rýchleho prototypovania

Rýchle prototypovanie kovových lisovaných dielov funguje najlepšie ako postup a nie ako jeden krok. Každá metóda pokrýva inú potrebu validácie:

• 3D tlačené matrice (v-domácnosti):Overte tvarovateľnosť,{0}}pruženie a vývoj polotovaru. Rýchle, lacné, ideálne na prieskum geometrie.
• CNC-obrobené prototypy:Vyrábajte diely z pevného materiálu, ktoré presne zodpovedajú konečným rozmerom. Užitočné pre kontrolu lícovania, overovanie montáže a funkčné testovanie, kde vlastnosti materiálu musia zodpovedať výrobnému zámeru.
• Výroba plechu (rezanie laserom + ohraňovací lis):Vytvárajte diely pomocou skutočných{0}}výrobných plechov a procesov tvárnenia. Potvrdzuje vyrobiteľnosť so skutočnými materiálmi a poskytuje diely vhodné na environmentálne alebo záťažové testovanie.
• Spätná väzba DFM:Odborná kontrola geometrie dielu vzhľadom na obmedzenia procesu lisovania - polomery ohybu, orientácia zrna, limity hĺbky ťahu - pred investíciou do nástroja zablokuje návrh.

Tímy, ktoré kombinujú tieto metódy, zachytávajú problémy v najlacnejšej možnej fáze. Problém s tvárnosťou zachytený pri tlačenej matrici za 30 USD ušetrí revíziu konvenčného nástroja za 1 500 USD. Problém s lícovaním zachytený pri CNC-obrábanom prototype šetrí týždne oneskorenia výroby. Včasná spätná väzba DFM zabraňuje obom.

Pre tímy{0}}vývoja produktov, ktoré potrebujú profesionálne-overenie kvality nad rámec toho, čo-dosahuje domáce 3D tlačené nástroje,Služby rýchleho prototypovania YICHENpreklenúť priepasť medzi overením koncepcie a záväzkom výroby. Kombináciou rýchleho CNC prototypovania, výroby plechu a včasnej spätnej väzby DFM v jednom pracovnom postupe pomáha YICHEN tímom overovať kovové lisované diely s výrobnou-reprezentatívnou presnosťou -, čím sa potvrdzuje forma, prispôsobenie a funkcia skôr, ako sa začnú investície do celého nástroja.

Tento vrstvený prístup validácie neznižuje len riziko. Buduje istotu, že návrh, ktorý sa chystáte použiť na výrobu, je v skutočnosti návrh, ktorý chcete -, nie taký, ktorý bude po prvom pilotnom spustení potrebovať núdzové revízie. Zostávajúca otázka je, ako sa rozhodnúť, ktorú cestu potrebuje váš konkrétny projekt.

Výber správnej dráhy nástrojov pre váš projekt

Každé rozhodnutie o nástroji závisí od niekoľkých premenných: koľko dielov potrebujete, ako rýchlo ich potrebujete, ako stabilný je váš dizajn a aké prísne musia byť vaše tolerancie. Namiesto toho, aby ste 3D tlačenú formu v porovnaní s konvenčnými raznicami považovali za možnosť buď-alebo, považujte ich za rôzne nástroje pre rôzne fázy. Tu je rámec rozhodovania o nástrojoch, ktoré môžu výrobné tímy okamžite použiť.

Keď sú 3D tlače tou správnou voľbou

Vedieť, kedy použiť 3D tlačené raznice, šetrí čas aj rozpočet. Úplne zapadajú do týchto scenárov:

• Overenie geometrie:Pred investíciou do výrobných nástrojov musíte potvrdiť, že vyrazený tvar je fyzicky dosiahnuteľný.
• Nízkosériová výroba (menej ako 100 – 500 dielov):Ekonomika jednotlivých dielov uprednostňuje tlač pred obrábaním, keď frekvencia výmeny zostáva zvládnuteľná.
• Nestabilita dizajnu:Geometria vašej súčiastky sa stále vyvíja a opätovná tlač raznice za 30 dolárov je lepšia ako prepracovanie obrábaného nástroja za 1 500 dolárov.
• Čas-kritické projekty:Vytvarované diely potrebujete zajtra, nie o štyri až šesť týždňov.
• Mäkké kovy v tenkých rozmeroch:Materiály z hliníka, medi alebo mäkkej ocele s hrúbkou do 0,8 mm -, ktoré zostávajú v rámci limitov zaťaženia polyméru.
• Vzdelávacia alebo hobby práca:Rozpočet a dostupnosť sú dôležitejšie než trvanlivosť{0}}produkčnej úrovne.

Ide o skutočné riešenia na lisovanie kovov s malým objemom, ktoré dodávajú skutočné diely bez finančných záväzkov konvenčných nástrojov. Kľúčom je čestne rozpoznať ich limity - a vedieť, kedy ich váš projekt prekročil.

Kedy investovať do podpory profesionálnych nástrojov

3D tlačené matrice potvrdzujú koncepty. Výroba si vyžaduje niečo viac. Ak platí niektorá z týchto podmienok, je čas prekročiť-vlastné aditívne nástroje:

• Dizajn je dokončenýa objemy presahujú 500 – 1 000 dielov.
• Tolerancie menšie ako ±0,2 mmsú požadované na formovaných prvkoch.
• Plech je nehrdzavejúca oceľ,-vysokopevná oceľ alebo mäkká oceľ s hrúbkou 1,0 mm.
• Diely musia prejsť funkčným alebo environmentálnym testovaníms produkčnou-reprezentatívnou presnosťou.
• Kontroly montáževyžadujú presnú rozmerovú zhodu medzi párovými komponentmi.

Pre tímy na tejto pozíciiSlužby rýchleho prototypovania YICHENposkytujú logický most medzi prototypovaním 3D tlačených foriem a záväzkom úplného výrobného nástroja - kombinovaním rýchleho CNC prototypovania, výroby plechu a včasnej spätnej väzby DFM na overenie dielov s presnosťou výroby- skôr, ako investujete seriózny kapitál. Už len táto skorá kontrola DFM môže zabrániť nákladným revíziám nástrojov, ktoré trápia tímy, ktoré preskočia validáciu a preskočia priamo na produkčné matrice.

Najinteligentnejšia cesta zvyčajne nie je jedna alebo druhá -, je to postup. Začnite s 3D vytlačenou matricou, aby ste dokázali tvarovateľnosť. Overte vhodnosť a funkčnosť pomocou profesionálneho prototypovania. Potom sa zaviažte k výrobe nástrojov s dôverou, že dizajn je uzamknutý. Tento postupný prístup minimalizuje finančné riziko aj čas-uviesť{7}}na trh, vďaka čomu získate tvarované diely v každej fáze bez toho, aby ste riskovali svoj rozpočet na nástroje s neoverenou geometriou.

Často kladené otázky o 3D tlačených kovových razidlách

1. Koľko dielov dokáže vyrobiť 3D tlačená raznica, kým zlyhá?

Životnosť matrice sa výrazne líši podľa triedy materiálu. PLA matrice zvyčajne vydržia 5-30 častí pred tepelnou degradáciou alebo zlyhaním kompresie. Nylon a CF-nylonové kompozity to rozširujú na 50-500 dielov za správnych podmienok. Kovové-zápustky z ocele s vysokou pevnosťou v ťahu dokážu zvládnuť 10 000 až 100{10}} tvarovacích cyklov, zatiaľ čo zápustky z nástrojovej ocele H13 vytlačené pomocou DMLS môžu dosiahnuť 500 000 cyklov. Tieto údaje predpokladajú tenký hliník alebo mäkkú oceľ ako obrobok - tvrdšie plechy výrazne znižujú životnosť.

2. Môžete použiť 3D vytlačenú matricu na razenie nehrdzavejúcej ocele?

Polymérne 3D tlačené matrice nedokážu spoľahlivo vytvarovať nehrdzavejúcu oceľ na žiadnom praktickom meradle. Vysoká medza klzu nehrdzavejúcej ocele (200-290 MPa v žíhanom stave) v kombinácii s agresívnym pracovným-kalením vytvára tvárniace sily, ktoré prevyšujú kompresnú kapacitu polyméru. Kovové-zápustky vyrobené z ocele s vysokou pevnosťou v ťahu alebo nástrojovej ocele H13 fúziou laserového prášku môžu účinne lisovať nehrdzavejúcu oceľ. Výskum na Oaklandskej univerzite ukázal, že potiahnuté 3D-kovové vložky vytlačené na 3D úspešne vylisovali 50 000 dielov z ultravysokopevnej ocele bez výraznej degradácie povrchu.

3. Aký vzor výplne je najlepší pre 3D tlačenú raznicu?

Gyroidná výplň s hustotou 70 % alebo vyššou je odporúčanou predvolenou hodnotou pre väčšinu aplikácií raziacich foriem. Jeho súvislá zakrivená geometria poskytuje takmer-izotropnú pevnosť, rovnako odoláva silám vo všetkých smeroch a dobre zvláda šmykové zaťaženie. Kubická výplň funguje pre matrice s čisto vertikálnym tlakovým zaťažením, ako sú jednoduché V-ohyby, zatiaľ čo mriežkový vzor by sa mal použiť iba pre matrice s plochým-spodným dnom bez síl mimo-osy. Prekročenie hustoty výplne nad 80 % ukazuje klesajúcu návratnosť pevnosti v porovnaní s pridaným časom tlače.

4. Je 3D tlačená raznica lacnejšia ako opracovaná raznica?

Pri výrobe s menej ako 100 dielmi stoja polymérové ​​3D vytlačené matrice spolu približne 35 USD-150 USD vrátane výmeny v porovnaní s 500 USD-2,{4}} pri konvenčne obrábaných nástrojoch. Bod zlomu sa zvyčajne pohybuje medzi 50 a 200 dielmi v závislosti od materiálu matrice a frekvencie výmeny. Kovové-tlačidlá s potlačou (300 – 600 USD) zaujímajú strednú pozíciu a stávajú sa nákladovo efektívnymi pri 100 – 10 000 sériách súčiastok, kde eliminujú cyklus výmeny polymérových lisovníc a dlhú dodaciu dobu konvenčného obrábania. Viac ako 10 000 dielov, konvenčné nástroje zvyčajne vyhrávajú v ekonomike na diel.

5. Ako kompenzujete pruženie-späť pri používaní 3D tlačených matríc?

Kompenzácia{{0}spätnej pružiny vyžaduje nadmerné-ohýbanie geometrie matrice, aby sa plech po tlačovej správe uvoľnil späť do cieľového uhla. Najrýchlejší prístup s polymérovými matricami je iteratívny: vytlačte, vytvorte testovací diel, zmerajte skutočnú odchýlku-spätnej pružiny, upravte model CAD o túto hodnotu a znova vytlačte. Keďže polymérové ​​matrice stoja len niekoľko dolárov a tlač trvá niekoľko hodín, je praktické viacero iterácií. V prípade kovových-tlačidiel s potlačou najprv overte kompenzáciu-spätnej pružiny v polyméri a potom vložte opravenú geometriu do kovovej tlače. Materiály s vysokou{9}}pevnosťou môžu potrebovať uhly matrice 73 – 78 stupňov, aby prekonali výraznú elastickú obnovu.