Drukowane formy wtryskowe vs frezowane (oraz inne technologie prototypowe)

W 3DForce przerobiliśmy chyba wszystkie znane technolie wytwarzania form

Historia naszej firmy jest naprawdę ciekawa. Wiele lat temu zaczynaliśmy od usług projektowania CAD i druku 3D. Zadowoleni klienci wciąż jednak powtarzali: „Chcemy więcej części!”.

Rozpoczęliśmy więc poszukiwanie technologii, które pozwoliłyby na ekonomiczne replikowanie wydruków 3D. Początkowo naszą uwagę przyciągnęła technologia odlewania próżniowego (vacuum casting), w której pokładaliśmy spore nadzieje. Zaczęliśmy od replikowania części przy użyciu form silikonowych. Niestety, okazało się, że ta metoda jest niezwykle wymagająca – czasochłonna, generująca mnóstwo odpadów i wszędzie pełno było lepkich żywic odlewniczych. Krótko mówiąc – horror.

Nie dziwi mnie, że wiele firm zajmujących się prototypowaniem zrezygnowało z tej technologii lub wycofało się z niej już dawno temu. To naprawdę ciężki kawałek chleba. Chińczycy co prawda doprowadzili tę metodę do perfekcji, ale ja osobiście nie chcę mieć z nią już nigdy więcej do czynienia.

Żądni sukcesów, poświęcaliśmy całe dnie, miesiące, a nawet lata na poszukiwanie lepszych rozwiązań. Wtedy postanowiliśmy zaprzyjaźnić się z formami wtryskowymi. Oczywiście nie myśleliśmy o stalowych – na tamtym etapie było to poza naszym zasięgiem.

Pierwsze kroki z formami wtryskowymi

Wydrukowaliśmy nasze pierwsze formy w technologii PolyJet na drukarce Objet Eden 1000 (nawiasem mówiąc – ciekawa nazwa). Jak na tamte czasy był to absolutny top w druku 3D. Dzięki współpracy z Politechniką Szczecińską (obecnie ZUT) mogliśmy testować tę technologię. Był rok 2013 i żadna inna metoda druku 3D nie oferowała bardziej precyzyjnych i wytrzymałych wydruków.

Mimo to formy pozwalały na produkcję jedynie 100–200 sztuk, po czym ulegały zniszczeniu. Co gorsza, druk 3D w technologii PolyJet był bardzo drogi, a formy czasami pękały już po kilku strzałach. Wiedzieliśmy, że to nie jest ostateczne rozwiązanie i musimy szukać dalej.

Formy wtryskowe z żywic epoksydowych

Po setkach godzin spędzonych w bibliotekach politechniki postanowiliśmy połączyć technologię druku 3D PolyJet z odlewaniem próżniowym. Zbudowaliśmy więc automat do odlewania próżniowego na chińskim sterowniku. Nasza metoda polegała na drukowaniu negatywu matrycy i stempla na drukarce 3D, a następnie zalewaniu ich w próżni w specjalnej skrzynce formierskiej, wyfrezowanej z PP i wypełnionej żywicą narzędziową z wysokim (80–90%) nasyceniem pyłu metalowego.

Proces ten był jednak skomplikowany. Wydruk 3D wymagał starannego przygotowania – powierzchnię należało dokładnie wyszlifować i pokryć wieloma warstwami środka antyadhezyjnego. Wykonanie pierwszej sprawnej formy zajęło nam wiele miesięcy, a pracowaliśmy wtedy po 10–12 godzin dziennie.

Tak odlane formy wymagały stopniowego wygrzewania i chłodzenia w piecu z programatorem. Technologia rzeczywiście działała i pozwalała na zwiększenie żywotności form 2–3-krotnie. Jednak wykonaliśmy tylko 2–3 takie formy i więcej do tej metody nie wróciliśmy. Maszyna do odlewania trafiła na złom – po prostu nie miało to sensu ekonomicznego. Ilość ograniczeń była tak duża, że niewielu klientów było skłonnych uprościć swoje modele, by formy mogły przeżyć więcej niż kilka cykli. Problem stanowiły m.in. żebra w formach, które szybko się wyłamywały, brak termostatowania oraz niewystarczająca odporność na wysokie siły zwarcia wtryskarki.

Rapid tooling kontra formy drukowane w 3D

Temat drukowanych form wtryskowych wraca regularnie, dlatego warto przedstawić rzetelną opinię na ten temat. Szczególnie że wyspecjalizowaliśmy się w technologii konkurencyjnej – rapid toolingu.

1. Krótki opis technologii

Rapid tooling – odnosi się do szybkiego wytwarzania form przy użyciu metod takich jak frezowanie CNC, często z wykorzystaniem standardowych elementów formy i szybko wykonanych wkładek (np. z aluminium, żywic epoksydowych lub stopów niskotopliwych).

Formy drukowane w 3D – wkładki lub całe formy wytwarzane są za pomocą druku 3D z materiałów takich jak żywice fotopolimerowe, tworzywa wzmacniane włóknami lub metale.

2. Czas wykonania

Rapid tooling – od kilku dni do kilku tygodni.
Formy drukowane w 3D – od kilku godzin do kilku dni.

3. Koszty produkcji

Rapid tooling – wyższe, ze względu na użycie maszyn CNC i specjalistycznych materiałów.
Formy drukowane w 3D – tańsze, szczególnie dla małych i prostych projektów.

4. Wytrzymałość i trwałość

Rapid tooling – wytrzymuje większe ciśnienia i temperatury, umożliwiając produkcję setek lub tysięcy sztuk.
Formy drukowane w 3D – ograniczona wytrzymałość, odpowiednie tylko dla krótkich serii.

5. Dokładność i jakość detali

Rapid tooling – bardzo wysoka jakość, możliwość precyzyjnej obróbki.
Formy drukowane w 3D – zależne od rozdzielczości druku, często wymagają dodatkowej obróbki.

6. Zastosowanie

Rapid tooling – idealne do krótkoseryjnej produkcji i testów funkcjonalnych.
Formy drukowane w 3D – najlepsze do szybkiego prototypowania.

Podsumowanie

Rapid tooling to rozwiązanie wszechstronne, trwalsze i bardziej wydajne, nadające się do większych serii. Można stosować materiały wzmacniane, co dodatkowo zwiększa odporność form. Jest jednak droższe i bardziej czasochłonne niż formy drukowane w 3D.

Formy drukowane w 3D sprawdzają się w szybkim prototypowaniu i krótkoseryjnej produkcji, jednak ich trwałość i gama dostępnych materiałów są mocno ograniczone.

Każda z tych technologii ma swoje miejsce w nowoczesnym projektowaniu i produkcji form wtryskowych. Wybór odpowiedniego rozwiązania zależy od specyfiki projektu oraz wymagań dotyczących czasu, kosztów i jakości.