Là một người đã dành cả sự nghiệp của mình trong lĩnh vực sản xuất, tôi đã chứng kiến cuộc tranh luận xung quanh In 3D và ép phun nhựa phát triển như thế nào. Trong nhiều năm, hai công nghệ này được đặt lên bàn cân: "Cái Mới so với Cái Cũ", "Tính Linh Hoạt so với Khối Lượng", "Kẻ Phá Bỏ so với Nhà Vua."
Đây là một cách nhìn nhận thị trường sai lầm về cơ bản.
In 3D (sản xuất bồi đắp) không phải là sự thay thế cho ép phun nhựa. Nó là công nghệ bổ trợ mạnh mẽ nhất từng xuất hiện trong cuộc đời tôi. Nó không thay thế nhà vua; nó làm cho nhà vua nhanh hơn, thông minh hơn và linh hoạt hơn.
Đối với khách hàng của tôi và trong các dự án của riêng tôi, tôi không còn xem chúng là một lựa chọn "hoặc/hoặc". Tôi xem chúng là một mối quan hệ đối tác "khi nào và như thế nào". Ép phun là nhà vô địch không thể tranh cãi của sản xuất hàng loạt, mang lại tốc độ đáng kinh ngạc, khả năng lặp lại và chi phí trên mỗi bộ phận thấp nhất có thể ở quy mô lớn. Chi phí thiết lập cao và thời gian giao hàng dài là rào cản gia nhập đã được biết đến của nó. Ngược lại, sản xuất bồi đắp là nhà vô địch về tốc độ tạo ra bộ phận đầu tiên, độ phức tạp và kinh tế khối lượng thấp, không có chi phí dụng cụ để khấu hao.
Điều kỳ diệu thực sự xảy ra khi bạn ngừng so sánh chúng và bắt đầu tích hợp chúng. Việc sử dụng công nghệ in 3D trong một quy trình ép phun nhựa là cách các nhà sản xuất hiện đại đang chiến thắng. Đó là cách tôi đã thấy các công ty cắt giảm chi phí phát triển, đưa sản phẩm ra thị trường trong thời gian kỷ lục và xây dựng các dây chuyền sản xuất tự động hiệu quả hơn.
Bài đăng này là một cái nhìn sâu sắc của tôi về sự cộng hưởng mạnh mẽ đó. Tôi sẽ vượt qua dòng chữ đơn giản "sử dụng in 3D cho các nguyên mẫu". Tôi sẽ chỉ cho bạn bốn cách tiên tiến, có tác động lớn mà hai công nghệ này hoạt động như một đội.
Đây là cách trực tiếp và mang tính cách mạng nhất mà in 3D hỗ trợ ép phun. Thay vì dành hàng tuần và hàng chục nghìn đô la để gia công CNC một khuôn thép hoặc nhôm phức tạp chỉ để thử nghiệm, tôi có thể in 3D một bộ phận chèn khuôn tại chỗ trong vài giờ, với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ.
Đây là những gì chúng tôi trong ngành gọi là dụng cụ nhanh.
Một khuôn in 3D thường là một bộ phận chèn khuôn hoặc một khuôn hoàn chỉnh (lõi và khoang) được đặt vào đế khuôn nhôm đa năng. Sau đó, dụng cụ in này được đặt trực tiếp vào máy ép phun tiêu chuẩn.
Sau đó, tôi có thể bắn nhựa cấp sản xuất—như ABS, PP hoặc Nylon—vào khuôn in này để tạo ra các bộ phận thực tế, chức năng.
Những lợi ích mà tôi đã thấy tận mắt thật đáng kinh ngạc:
Giảm Chi Phí Lớn: Một khuôn in 3D có thể có giá từ 100 đến 1.000 đô la. Một khuôn nhôm gia công đơn giản bắt đầu từ 2.000 đô la và một khuôn sản xuất bằng thép phức tạp có thể dễ dàng đạt 100.000 đô la trở lên. Trong một nghiên cứu điển hình, một công ty đã tiết kiệm 97% chi phí dụng cụ cho một lô 6.000 bộ phận bằng cách sử dụng khuôn in 3D.
Tốc Độ Không Thể Tin Được: Tôi có thể thiết kế một khuôn vào buổi sáng, in 3D vào buổi chiều và ép phun các bộ phận vào buổi tối. Hãy so sánh điều này với thời gian giao hàng từ 4-8 tuần đối với một khuôn truyền thống. Điều này rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm từ hàng tháng xuống còn vài ngày.
Xác Thực Thiết Kế Thực Tế: Đây là điểm quan trọng nhất. Nguyên mẫu là một chuyện, nhưng chúng không cho bạn biết về quy trình sản xuất. Một khuôn in 3D cho phép tôi xác thực thiết kế khuôn của mình. Tôi có thể kiểm tra:
Dòng chảy: Nhựa nóng chảy lấp đầy khoang như thế nào?
Cong vênh: Bộ phận có nguội và cong vênh theo những cách không mong muốn không?
Vị Trí Cổng: Cổng của tôi có ở đúng vị trí không, hay nó để lại một vết ố hoặc tạo ra các vấn đề về dòng chảy?
Dấu Chốt Đẩy: Các vị trí chốt đẩy có chính xác để tháo khuôn bộ phận một cách sạch sẽ không?
Tìm thấy một lỗi trong mô hình 3D là dễ dàng. Tìm thấy một lỗi trong một khuôn thép trị giá 50.000 đô la là một thảm họa. Dụng cụ nhanh cho phép tôi thất bại nhanh chóng và rẻ, lặp lại trên bản thân thiết kế khuôn 2-3 lần trong một tuần duy nhất cho đến khi nó hoàn hảo. Chỉ sau đó tôi mới cam kết cắt thép đắt tiền.
Một ví dụ thực tế hoàn hảo đến từ Trung tâm Nghiên cứu Sản xuất Tiên tiến (AMRC) của Đại học Sheffield. Họ đã thực hiện một dự án để in 3D một dụng cụ khuôn polymer. Nỗ lực đầu tiên của họ với một máy in dựa trên nhựa đã dẫn đến hiện tượng cong vênh đáng kể sau quá trình đóng rắn, khiến khuôn trở nên vô dụng.
Thay vì bỏ cuộc, họ đã lặp lại. Họ chuyển sang một công nghệ in 3D khác (Thiêu kết Laser Chọn lọc, hoặc SLS) và một vật liệu khác (Nylon 11), cứng hơn và ít giòn hơn. Mặc dù khuôn mới này vẫn cho thấy một số vấn đề về độ phẳng, các đặc tính cơ học vượt trội của nó cho phép nó chịu được lực kẹp của ép phun. Kết quả? Họ đã sản xuất thành công một bộ phận đúc.
Đây là sức mạnh của dụng cụ nhanh trong một nutshell: họ đã phát hiện và giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp (lựa chọn vật liệu, cong vênh, hình học bộ phận) trong một phần nhỏ thời gian và chi phí mà nó sẽ cần với sản xuất truyền thống.
Không phải tất cả các máy in 3D đều được tạo ra như nhau cho tác vụ này. Sự lựa chọn phụ thuộc vào chi tiết bộ phận yêu cầu, tuổi thọ khuôn và nhiệt độ của nhựa được ép phun.
| Công nghệ | Vật Liệu Chính cho Khuôn | Tại Sao Tôi Sử Dụng Nó |
| SLA (Quang khắc lập thể) | Nhựa chịu nhiệt cao (ví dụ: Nhựa chịu nhiệt cao Formlabs, Nhựa cứng 10K) | Chi tiết vô song. Khi tôi cần các góc sắc như dao cạo, kết cấu mịn hoặc bề mặt hoàn thiện nhẵn như kính trên bộ phận đúc của mình, tôi chuyển sang SLA. Nhựa chịu nhiệt cao có thể chịu được cú sốc nhiệt ban đầu của quá trình ép phun. Nó hoàn hảo cho các bộ phận nhỏ, phức tạp. |
| MJF (Multi Jet Fusion) | Nylon chứa sợi thủy tinh (như PA 12 GB) | Độ bền & Tốc độ. Khi tôi cần một khuôn bền hơn có thể kéo dài hàng trăm lần phun, MJF là một lựa chọn tuyệt vời. Các bộ phận chắc chắn, ổn định về nhiệt và có các đặc tính đẳng hướng tốt (chắc chắn theo mọi hướng). Bề mặt hơi thô hơn SLA nhưng vượt trội hơn FDM. |
| SLS (Thiêu kết Laser Chọn lọc) | Nylon 11, Nylon 12 (PA11, PA12) | Độ bền & Độ giãn dài. Như nghiên cứu điển hình của AMRC đã chỉ ra, nylon in SLS rất bền và có độ giãn dài cao hơn, có nghĩa là nó có thể bị biến dạng nhẹ dưới áp suất kẹp mà không bị nứt. Nó là một cỗ máy làm việc mạnh mẽ cho các khuôn hình học đơn giản hơn, nơi độ bền là chìa khóa. |
Cách thứ hai tôi sử dụng các công nghệ này cùng nhau là cho những gì được gọi là "dụng cụ cầu nối" hoặc "sản xuất cầu nối."
Hãy tưởng tượng tình huống này: thiết kế sản phẩm của bạn đã hoàn tất. Bạn đã sử dụng dụng cụ nhanh để hoàn thiện khuôn. Bây giờ, bạn đã đặt hàng khuôn sản xuất bằng thép cứng trị giá 80.000 đô la, nhưng thời gian giao hàng là 12 tuần. Bạn có...
A) Chờ ba tháng mà không có sản phẩm, cho phép đối thủ cạnh tranh bắt kịp?
B) Ra mắt sản phẩm của bạn và bắt đầu bán ngay bây giờ?
Câu trả lời là B. Và cách tôi làm điều đó là với dụng cụ cầu nối.
Một dụng cụ "cầu nối" là một khuôn in 3D chắc chắn hơn (hoặc một khuôn nhôm gia công nhanh chóng) được thiết kế để sản xuất các bộ phận sản xuất thực tế đầu tiên. Nó "cầu nối" khoảng cách giữa tạo mẫu và sản xuất hàng loạt.
Điều này không dành cho 10-50 bộ phận. Điều này dành cho việc sản xuất 500, 1.000 hoặc thậm chí 5.000+ bộ phận bằng vật liệu sử dụng cuối cùng. Một khuôn MJF hoặc SLA chất lượng cao hoàn toàn có thể xử lý các số lượng này.
Chiến lược này không chỉ là về tốc độ; đó là một lợi thế kinh doanh cơ bản.
Đưa Ra Thị Trường Đầu Tiên: Tôi có thể có sản phẩm của mình trên kệ cửa hàng hoặc vận chuyển đến khách hàng trong khi đối thủ cạnh tranh của tôi vẫn đang chờ dụng cụ của họ được sản xuất. Trong nhiều ngành, lợi thế người đi đầu là tất cả mọi thứ.
Tạo Doanh Thu Sớm: Tôi có thể bắt đầu tạo ra dòng tiền từ sản phẩm của mình ngay hôm nay. Doanh thu đó có thể giúp trả cho các dụng cụ sản xuất hàng loạt đắt tiền vẫn đang được sản xuất.
Kiểm Tra Thị Trường Thực Tế: Đây là một cách tuyệt vời, ít rủi ro để kiểm tra một sản phẩm. Điều gì sẽ xảy ra nếu dự báo bán hàng ban đầu của tôi là 500.000 đơn vị là sai? Thay vì ngồi trên một khuôn trị giá 80.000 đô la và 100.000 đơn vị hàng tồn kho, tôi có thể chạy một lô 5.000 bộ phận bằng dụng cụ cầu nối. Điều này cho phép tôi đánh giá nhu cầu thị trường thực tế trước khi cam kết chi tiêu vốn lớn.
Cho Phép Phiên Bản Sản Phẩm: Dụng cụ cầu nối cho phép tôi làm việc như một công ty phần mềm. Tôi có thể ra mắt "Tiện ích v1.0" bằng dụng cụ cầu nối. Trong khi đó đang bán, tôi có thể thu thập phản hồi của khách hàng, thực hiện một vài tinh chỉnh thiết kế và in một dụng cụ cầu nối mới cho "Tiện ích v1.1" chỉ vài tuần sau đó. Cách tiếp cận linh hoạt, lặp đi lặp lại này đối với phần cứng là không thể với sản xuất truyền thống.
Một nghiên cứu điển hình từ Interroll, một công ty cần một thành phần vỏ nhựa, đã làm nổi bật điều này một cách hoàn hảo. Khối lượng sản xuất của họ thay đổi rất nhiều. Bằng cách sử dụng cả hai in 3D và ép phun, họ có thể giữ cho nguồn cung của họ ổn định, quản lý chi phí và duy trì tính linh hoạt, sử dụng quy trình phù hợp với nhu cầu tại bất kỳ thời điểm nào.
Đây là một trong những ứng dụng có ROI cao, thiết thực nhất của in 3D trong một xưởng đúc, nhưng nó nhận được ít sự chú ý nhất.
Quy trình ép phun không chỉ dừng lại khi bộ phận được đẩy ra. Bộ phận thường cần được làm mát, kiểm tra, lắp ráp hoặc thực hiện các thao tác thứ cấp trên đó. Để làm điều này một cách nhất quán và nhanh chóng, chúng tôi sử dụng đồ gá và đồ gá.
Đồ gá: Hướng dẫn một công cụ (ví dụ: hướng dẫn khoan, hướng dẫn cắt tỉa).
Đồ gá: Giữ một bộ phận ở một vị trí cụ thể, có thể lặp lại (ví dụ: đồ gá làm mát, tổ lắp ráp, đồ gá kiểm tra QC).
Theo truyền thống, các công cụ này được gia công tỉ mỉ từ nhôm hoặc axetan (Delrin). Điều này chậm, tốn kém và yêu cầu một thợ máy lành nghề, kéo họ ra khỏi công việc giá trị cao (như làm khuôn).
Ngày nay, tôi in 3D chúng. Tất cả chúng.
Khi tôi bước vào một xưởng hiện đại, tác động là rõ ràng.
Tốc Độ & Chi Phí: Một thợ máy có thể dành cả ngày và 200 đô la cho vật liệu để tạo ra một đồ gá lắp ráp phức tạp. Tôi có thể in đồ gá tương tự qua đêm với chi phí khoảng 30 đô la vật liệu. ROI là điên rồ. John Crane, một công ty sản xuất, đã tiết kiệm 80% thời gian thiết lập máy bằng cách sử dụng các thiết bị giữ phôi in 3D.
Công Thái Học & Trọng Lượng: Đồ gá bằng nhôm gia công rất nặng. Trong ca làm việc 8 giờ, một người vận hành nâng đồ gá đó hàng trăm lần sẽ bị mệt mỏi. Tôi có thể in 3D đồ gá tương tự bằng vật liệu như gia công CNC-grade ABS hoặc nylon chứa sợi carbon, làm cho nó nhẹ hơn 70-90%. Điều này cải thiện công thái học của người vận hành và giảm mệt mỏi.
Tuân Thủ Hoàn Hảo: Một bộ phận đúc hiếm khi là một khối hoàn hảo. Nó có các đường cong phức tạp, các đường cắt và gân. Gia công một đồ gá ôm sát hoàn hảo hình dạng phức tạp này là khó khăn. Với in 3D, nó là tầm thường. Tôi chỉ cần lấy mô hình 3D của bộ phận ban đầu, trừ nó khỏi một khối trong phần mềm CAD của tôi và tôi có một tổ hoàn hảo, phù hợp tùy chỉnh.
Lặp Lại Ngay Lập Tức: Một kỹ sư tại nhà máy của Audi lưu ý rằng in 3D cho phép họ tạo ra các công cụ nhanh chóng và đáp ứng các yêu cầu cụ thể từ các đồng nghiệp trên dây chuyền lắp ráp. Nếu một người vận hành nói, "Đồ gá này sẽ tốt hơn nếu tay cầm này được nghiêng khác đi", tôi có thể thực hiện thay đổi đó trên máy tính và có một công cụ mới, cải tiến trong tay họ vào sáng hôm sau. Đây là cách bạn xây dựng một dây chuyền sản xuất thực sự hiệu quả và hạnh phúc.
Các công ty như Polaris và Medtronic đã báo cáo những khoản tiết kiệm lớn và tăng hiệu quả từ việc thực hiện chiến lược này. Nó không "gợi cảm" như in một khuôn, nhưng tác động hàng ngày đến chi phí, tốc độ và năng suất là rất lớn.
Khu vực thứ tư là phần mở rộng của đồ gá và đồ gá, nhưng dành cho robot.
Trong một ô ép phun nhựa hiện đại, tự động, một cánh tay robot vung vào, lấy bộ phận (hoặc các bộ phận) từ khuôn và di chuyển chúng đến trạm tiếp theo (như trạm cắt tỉa, camera QC hoặc băng tải). "Tay" của robot đó được gọi là Dụng Cụ Đầu Cánh Tay (EOAT).
EOAT này là một phần kỹ thuật tùy chỉnh. Nó có thể bao gồm:
Kẹp (khí nén hoặc cơ học)
Cốc chân không
Cảm biến để phát hiện bộ phận
Lưỡi dao cắt để cắt người chạy
Giống như đồ gá, chúng theo truyền thống được gia công tùy chỉnh từ nhôm. Điều này tạo ra một nút thắt lớn. Mỗi khi thiết kế sản phẩm thay đổi hoặc một dự án mới bắt đầu, bạn phải đợi hàng tuần để có một EOAT mới, tốn kém được gia công.
In 3D phá vỡ nút thắt này và mở ra những khả năng thiết kế mới.
Giảm Trọng Lượng là Chìa Khóa: Một cánh tay robot có tải trọng tối đa. EOAT càng nặng, thì càng ít "tải trọng" còn lại cho bộ phận mà nó đang di chuyển và robot phải di chuyển chậm hơn để quản lý quán tính. Bằng cách in 3D EOAT từ các polyme nhẹ, tôi có thể giảm đáng kể trọng lượng của nó. Điều này cho phép robot di chuyển nhanh hơn, điều này trực tiếp làm giảm thời gian chu kỳ của toàn bộ quy trình sản xuất. Việc cắt giảm thậm chí nửa giây so với thời gian chu kỳ 15 giây sẽ cộng thêm hàng nghìn đô la lợi nhuận trong một lần chạy một triệu bộ phận.
Hợp Nhất & Hình Học Phức Tạp: Đây là nơi nó trở nên thực sự thanh lịch. Một EOAT truyền thống có thân chính, cộng với các giá đỡ, ống và ống riêng biệt cho tất cả các cốc chân không và kẹp khí nén. Với in 3D (đặc biệt là SLS hoặc MJF), tôi có thể thiết kế tất cả các kênh khí đó trực tiếp vào thân của EOAT. Những gì từng là 20 bộ phận riêng biệt trở thành 1 thành phần in 3D duy nhất. Điều này nhẹ hơn, có ít điểm hỏng hơn và cực kỳ nhanh chóng để lắp ráp.
Kẹp Tùy Chỉnh, Phù Hợp: Giống như với đồ gá, tôi có thể thiết kế các kẹp được đúc hoàn hảo theo hình dạng phức tạp của bộ phận của tôi. Điều này cung cấp một kẹp an toàn hơn, tinh tế hơn, điều này rất quan trọng đối với các bộ phận quang học trong suốt hoặc các bề mặt có tính thẩm mỹ cao không thể bị trầy xước.
Tạo Mẫu Nhanh để Tự Động Hóa: Khi thiết kế một ô tự động mới, tôi có thể in 3D ba thiết kế EOAT khác nhau trong một ngày duy nhất và thử nghiệm chúng trên robot. Tôi có thể nhanh chóng tìm ra cái nào cung cấp độ bám đáng tin cậy nhất và thời gian chu kỳ nhanh nhất. Điều này giảm thiểu rủi ro cho quá trình tự động hóa và là không thể với sản xuất truyền thống.
Cuộc tranh luận về ép phun nhựa so với in 3D đã kết thúc. Cộng đồng chuyên nghiệp biết câu trả lời: bạn cần cả hai.
Nghĩ về chúng như những đối thủ cạnh tranh giống như tranh luận xem bạn nên sở hữu một cái cờ lê hay một cái tuốc nơ vít. Chúng là những công cụ khác nhau cho các công việc khác nhau và bất kỳ người xây dựng nghiêm túc nào cũng cần cả hai trong hộp công cụ của họ.
Quy trình làm việc của tôi là một ví dụ hoàn hảo về thực tế tích hợp mới này:
Tôi sử dụng in 3D (FDM/SLA) để tạo ra các nguyên mẫu khái niệm ban đầu để kiểm tra hình thức và phù hợp.
Tôi sử dụng in 3D (SLA/MJF) để tạo Dụng Cụ Nhanh (một khuôn in) để xác thực thiết kế khuôn và quy trình sản xuất của tôi với 100-500 bộ phận bằng nhựa sản xuất cuối cùng.
Tôi sử dụng khuôn này làm Dụng Cụ Cầu Nối để chạy 5.000 đơn vị đầu tiên, đưa sản phẩm của tôi ra thị trường và tạo doanh thu trước 10 tuần so với kế hoạch.
Trong khi điều này đang diễn ra, tôi sử dụng in 3D (SLS/FDM) để tạo ra tất cả các đồ gá, đồ gá và EOAT tùy chỉnh mà tôi sẽ cần cho dây chuyền lắp ráp và QC tự động của mình.
Khi khuôn sản xuất bằng thép cứng của tôi đến, nó đã là một thiết kế đã được chứng minh. Dây chuyền tự động hóa của tôi đã được xây dựng và giảm thiểu rủi ro. Tôi có thể "cắm nó vào" và mở rộng quy mô lên hàng triệu bộ phận mà không bị gián đoạn.
Đây là quy trình làm việc mới. In 3D không cạnh tranh với ép phun nhựa; nó làm cho nó nhanh hơn, rẻ hơn, ít rủi ro hơn và hiệu quả hơn bao giờ hết.
