Как человек, посвятивший свою карьеру производству, я наблюдал за развитием дискуссии вокруг 3D-печать и литьем пластмасс под давлением. Годами эти два способа противопоставлялись друг другу: «Новое против Старого», «Гибкость против Объема», «Разрушитель против Короля».

Это в корне ошибочный взгляд на рынок.

3D-печать (аддитивное производство) не заменяет литьем пластмасс под давлением. Это единственная самая мощная дополнительная технология, появившаяся за всю мою жизнь. Она не заменяет короля; она делает короля быстрее, умнее и маневреннее.

Для моих клиентов и в моих собственных проектах я больше не рассматриваю их как выбор «или/или». Я вижу их как партнерство «когда и как». Литье под давлением — бесспорный чемпион массового производства, предлагающий невероятную скорость, повторяемость и минимально возможную стоимость детали в масштабе. Его высокие затраты на подготовку и длительные сроки выполнения — хорошо известный входной барьер. Аддитивное производство, напротив, является чемпионом по скорости получения первой детали, сложности и экономике малых объемов, без затрат на оснастку.

Настоящая магия происходит, когда вы перестаете их сравнивать и начинаете интегрировать. Использование технологию 3D-печати в рамках процесса литья пластмасс под давлением — вот как современные производители побеждают. Именно так я видел, как компании сокращали затраты на разработку, выходили на рынок в рекордно короткие сроки и создавали более эффективные, автоматизированные производственные линии.

Этот пост — мое глубокое погружение в эту мощную синергию. Я выхожу за рамки простой фразы «используйте 3D-печать для прототипов». Я собираюсь показать вам четыре передовых, высокоэффективных способа, которыми эти две технологии работают как команда.

1. Переломный момент: быстрое изготовление оснастки (3D-печатные формы)

Это самый прямой и революционный способ, которым 3D-печать поддерживает литье под давлением. Вместо того, чтобы тратить недели и десятки тысяч долларов на механическую обработку сложной стальной или алюминиевой формы только для тестирования, я могу напечатать 3D-вставку формы на месте за считанные часы, за небольшую часть стоимости.

Это то, что мы в отрасли называем быстрым изготовлением оснастки.

3D-печатная форма обычно представляет собой вставку формы или полную форму (сердечник и полость), которая помещается в универсальную алюминиевую основу формы. Затем этот печатный инструмент помещается непосредственно в стандартную машину для литья под давлением.

Затем я могу впрыскивать пластик производственного качества, например, ABS, PP или нейлон, в эту печатную форму для создания настоящих функциональных деталей.

Почему это так мощно

Преимущества, которые я видел своими глазами, ошеломляют:

• Массовое сокращение затрат: 3D-печатная форма может стоить от 100 до 1000 долларов. Простая обработанная алюминиевая форма стоит от 2000 долларов, а сложная стальная производственная форма может легко достигать 100 000 долларов и более. В одном тематическом исследовании компания сэкономила 97% затрат на оснастку для партии из 6000 деталей, используя 3D-печатную форму.

• Невероятная скорость: Я могу спроектировать форму утром, напечатать ее на 3D-принтере во второй половине дня и впрыскивать детали вечером. Сравните это со сроком выполнения 4–8 недель для традиционной формы. Это сокращает сроки разработки продукта с месяцев до дней.

• Настоящая проверка конструкции: Это самый важный момент. Прототипы — это одно, но они ничего не говорят о производственного процесса. 3D-печатная форма позволяет мне проверить мою конструкцию формы. Я могу проверить:

  • Поток: Как расплавленный пластик заполняет полость?

  • Деформация: Деталь остывает и деформируется неожиданным образом?

  • Расположение литника: Находится ли мой литник в нужном месте, или он оставляет дефект или создает проблемы с потоком?

  • Следы от выталкивающих штифтов: Правильно ли расположены выталкивающие штифты для чистого извлечения детали из формы?

Найти дефект в 3D-модели легко. Найти дефект в стальной форме стоимостью 50 000 долларов — катастрофа. Быстрое изготовление оснастки позволяет мне быстро и дешево терпеть неудачи, повторяя конструкцию самой формы 2–3 раза в течение одной недели, пока она не станет идеальной. Только после этого я приступаю к резке дорогой стали.

Пример из практики: AMRC и деформация

Идеальный пример из реальной жизни — Центр передовых производственных исследований (AMRC) Шеффилдского университета. Они взялись за проект по 3D-печати полимерного инструмента для форм. Их первая попытка с использованием принтера на основе смолы привела к значительной деформации после процесса отверждения, что сделало форму бесполезной.

Вместо того, чтобы сдаваться, они повторили. Они перешли на другую технологию 3D-печати(селективное лазерное спекание, или SLS) и другой материал (Nylon 11), который был прочнее и менее хрупким. Хотя эта новая форма все еще показывала некоторые проблемы с плоскостностью, ее превосходные механические свойства позволили ей выдерживать усилия зажима в литья под давлением. Результат? Они успешно произвели формованную деталь.

В этом суть быстрого изготовления оснастки: они обнаружили и решили несколько сложных инженерных проблем (выбор материала, деформация, геометрия детали) за долю времени и стоимости, которые потребовались бы при традиционном производстве.

Выбор правильной технологии 3D-печати для форм

Не все 3D-принтеры созданы одинаково для этой задачи. Выбор зависит от требуемой детализации детали, долговечности формы и температуры впрыскиваемого пластика.

2. Заполнение пробела: мостовая оснастка и мелкосерийное производство

Второй способ, которым я использую эти технологии вместе, — это так называемая «мостовая оснастка» или «мостовое производство».

Представьте себе такой сценарий: дизайн вашего продукта завершен. Вы использовали быстрое изготовление оснастки, чтобы довести форму до совершенства. Теперь вы заказали свою закаленную стальную производственную форму стоимостью 80 000 долларов, но срок выполнения составляет 12 недель. Вы...

A) Ждете три месяца без продукта, позволяя конкурентам наверстать упущенное?

B) Запускаете свой продукт и начинаете продавать сейчас?

Ответ — B. И я делаю это с помощью мостовой оснастки.

«Мостовой» инструмент — это более прочная 3D-печатная форма (или быстро обработанная алюминиевая форма), предназначенная для производства первых настоящих производственных деталей. Он «соединяет» разрыв между прототипированием и массовым производством.

Это не для 10–50 деталей. Это для производства 500, 1000 или даже более 5000 деталей из конечного материала. Высококачественная форма MJF или SLA определенно может справиться с этими объемами.

Стратегическая ценность моста

Эта стратегия — больше, чем просто скорость; это фундаментальное бизнес-преимущество.

• Выйти на рынок первым: Я могу выставить свой продукт на полки магазинов или отправить его клиентам, в то время как мои конкуренты все еще ждут изготовления своей оснастки. Во многих отраслях это преимущество первого хода — это все.

• Получить ранний доход: Я могу начать получать денежный поток от своего продукта сегодня. Этот доход может помочь оплатить дорогостоящую оснастку для массового производства, которая все еще производится.

• Тестирование на реальном рынке: Это блестящий, малорискованный способ протестировать продукт. Что, если мой первоначальный прогноз продаж в 500 000 единиц неверен? Вместо того, чтобы сидеть на форме стоимостью 80 000 долларов и 100 000 единиц запасов, я могу запустить партию из 5000 деталей с помощью мостового инструмента. Это позволяет мне оценить реальный рыночный спрос, прежде чем приступать к огромным капитальным затратам.

• Включить версионирование продукта: Мостовая оснастка позволяет мне работать как софтверная компания. Я могу запустить «Виджет v1.0» с помощью мостового инструмента. Пока он продается, я могу собирать отзывы клиентов, вносить несколько изменений в дизайн и напечатать новый мостовой инструмент для «Виджета v1.1» всего через несколько недель. Этот гибкий, итеративный подход к оборудованию невозможен при традиционном производстве.

Тематическое исследование Interroll, компании, которой требовался компонент пластикового корпуса, прекрасно это подчеркнуло. Объемы их производства сильно различались. Используя и 3D-печать, и литье под давлением, они могли поддерживать стабильные поставки, управлять затратами и оставаться гибкими, используя правильный процесс для спроса в любой момент времени.

3. Невоспетый герой: 3D-печатные приспособления и крепления

Это одно из самых практичных, высокорентабельных применений 3D-печати в литейном цехе, но ему уделяется меньше всего внимания.

Процесс литья под давлением не останавливается, когда деталь извлекается. Деталь часто необходимо охладить, проверить, собрать или выполнить на ней вторичные операции. Чтобы сделать это последовательно и быстро, мы используем приспособления и крепления.

• Приспособления: Направляют инструмент (например, направляющую для сверления, направляющую для обрезки).

• Крепления: Удерживают деталь в определенном, повторяемом месте (например, приспособление для охлаждения, гнездо для сборки, приспособление для контроля качества).

Традиционно эти инструменты тщательно изготавливались из алюминия или ацеталя (Delrin). Это было медленно, дорого и требовало квалифицированного машиниста, отвлекая его от высокоценной работы (например, изготовления форм).

Сегодня я печатаю их на 3D-принтере. Все.

Почему я печатаю на 3D-принтере каждое приспособление и крепление

Когда я захожу в современный цех, эффект очевиден.

• Скорость и стоимость: Машинист может потратить целый день и 200 долларов на материалы, чтобы сделать сложный сборочный приспособление. Я могу напечатать то же приспособление за ночь примерно за 30 долларов на материалы. Рентабельность инвестиций безумна. John Crane, производственная компания, сэкономила 80% времени настройки станка, используя 3D-печатные устройства для удержания заготовок.

• Эргономика и вес: Обработанные алюминиевые приспособления тяжелые. За 8-часовую смену оператор, поднимающий это приспособление сотни раз, будет испытывать усталость. Я могу напечатать то же приспособление на 3D-принтере, используя такой материал, как механическая обработка-класс ABS или нейлон, армированный углеродным волокном, что делает его на 70–90% легче. Это улучшает эргономику оператора и снижает усталость.

• Идеальное соответствие: Формованная деталь редко бывает идеальным блоком. У нее сложные кривые, подрезы и ребра. Обработка приспособления, которое идеально охватывает эту сложную форму, затруднена. С 3D-печатью это тривиально. Я просто беру 3D-модель исходной детали, вычитаю ее из блока в своем программном обеспечении CAD, и у меня есть идеальное, изготовленное на заказ гнездо.

• Итерация на лету: Инженер на заводе Audi отметил, что 3D-печать позволяет им быстро изготавливать инструменты и реагировать на конкретные запросы коллег по сборочной линии. Если оператор говорит: «Это приспособление было бы лучше, если бы эта ручка была под другим углом», я могу внести это изменение на компьютере и получить новый, улучшенный инструмент в их руках на следующее утро. Вот как вы строите действительно эффективную и счастливую производственную линию.

Такие компании, как Polaris и Medtronic, сообщили об огромной экономии и повышении эффективности от внедрения этой стратегии. Это не так «сексуально», как печать формы, но повседневное влияние на затраты, скорость и производительность огромно.

4. Активатор автоматизации: 3D-печатная оснастка на конце манипулятора (EOAT)

Четвертая область — это расширение приспособлений и креплений, но для роботов.

В современной, автоматизированной пластмассовой литьевой ячейке рука робота заходит, берет деталь (или детали) из формы и перемещает их на следующую станцию (например, станцию обрезки, камеру контроля качества или конвейерную ленту). «Рука» этого робота называется оснасткой на конце манипулятора (EOAT).

Эта EOAT — индивидуальная инженерная деталь. Она может включать:

• Захваты (пневматические или механические)

• Вакуумные присоски

• Датчики для обнаружения детали

• Ножевые лезвия для резки бегуна

Как и приспособления, они традиционно изготавливались на заказ из алюминия. Это создавало огромную проблему. Каждый раз, когда менялся дизайн продукта или начинался новый проект, приходилось ждать недели, пока не будет изготовлена новая, дорогая EOAT.

Как 3D-печать революционизирует автоматизацию формования

3D-печать разрушает эту проблему и открывает новые возможности дизайна.

• Облегчение — ключ: Рука робота имеет максимальную полезную нагрузку. Чем тяжелее EOAT, тем меньше «полезной нагрузки» остается для детали, которую она перемещает, и тем медленнее должен двигаться робот, чтобы управлять инерцией. Напечатав EOAT из легких полимеров на 3D-принтере, я могу значительно уменьшить ее вес. Это позволяет роботу двигаться быстрее, что напрямую сокращает время цикла всего производственного процесса. Сокращение даже на полсекунды от 15-секундного времени цикла приносит тысячи долларов прибыли при тираже в миллион деталей.

• Консолидация и сложные геометрии: Вот где все становится по-настоящему элегантно. Традиционная EOAT имеет основной корпус, а также отдельные кронштейны, трубки и шланги для всех вакуумных присосок и пневматических захватов. С 3D-печатью (особенно SLS или MJF) я могу спроектировать все эти воздушные каналы непосредственно в корпус EOAT. То, что когда-то было 20 отдельными деталями, становится одним цельным компонентом, напечатанным на 3D-принтере. Это легче, имеет меньше точек отказа и невероятно быстро собирается.

• Пользовательские, конформные захваты: Как и в случае с приспособлениями, я могу спроектировать захваты, которые идеально соответствуют сложной форме моей детали. Это обеспечивает более надежный, деликатный захват, что очень важно для прозрачных оптических деталей или поверхностей с высоким косметическим качеством, которые нельзя поцарапать.

• Быстрое прототипирование для автоматизации: При проектировании новой автоматизированной ячейки я могу напечатать на 3D-принтере три разных конструкции EOAT за один день и протестировать их на роботе. Я могу быстро узнать, какой из них обеспечивает наиболее надежный захват и самое быстрое время цикла. Это снижает риски процесса автоматизации и невозможно при традиционном производстве.

Окончательный вердикт: перестаньте сравнивать, начните интегрировать

Дебаты о литье пластмасс под давлением против 3D-печати закончены. Профессиональное сообщество знает ответ: вам нужно и то, и другое.

Рассматривать их как конкурентов — это все равно, что спорить, нужно ли вам иметь гаечный ключ или отвертку. Это разные инструменты для разных задач, и любому серьезному строителю нужны оба в своем наборе инструментов.

Мой рабочий процесс — прекрасный пример этой новой, интегрированной реальности:

1. Я использую 3D-печать (FDM/SLA) для создания первоначальных концептуальных прототипов для проверки формы и подгонки.

2. Я использую 3D-печать (SLA/MJF) для создания быстрого изготовления оснастки (печатной формы) для проверки конструкции моей формы и производственного процесса с 100–500 деталями из конечного производственного пластика.

3. Я использую эту форму в качестве мостовой оснастки для производства первых 5000 единиц, выводя свой продукт на рынок и получая доход на 10 недель раньше графика.

4. Пока это происходит, я использую 3D-печать (SLS/FDM) для создания всех пользовательских приспособлений, креплений и EOAT, которые мне понадобятся для моей автоматизированной сборочной линии и линии контроля качества.

5. Когда прибывает моя закаленная стальная производственная форма, она уже имеет проверенную конструкцию. Моя линия автоматизации уже построена и застрахована от рисков. Я могу «подключить ее» и масштабировать до миллионов деталей с нулевым временем простоя.

Это новый рабочий процесс. 3D-печать не конкурирует с литьем пластмасс под давлением; она делает его быстрее, дешевле, менее рискованным и эффективнее, чем когда-либо прежде.