Литье под давлением из 3D-печатных форм

Изучение малообъемного производства небольших пластиковых деталей

КРАТКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

В этом документе описывается производство небольших деталей из термопласта с литьевым формованием, которые были созданы с использованием 3D-печатных форм, полученных на принтере Form 2 и впрыском с использованием машины для литья под давлением Galcom Model-B100. Были испытаны две формы из прозрачного полимера: одна большая форма в виде бабочки и одна форма в виде четырех маленьких бабочек в одном блоке. Третья форма для корпуса USB-накопителя была протестирована в исполнении из высокотемпературного полимера. Эти формы были напечатаны на 3D принтере Formlabs, а литые детали были изготовлены Galomb Inc и Formlabs из различных материалов.

Formlabs and Galomb, Inc.

МАЛООБЪЕМНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ДЕТАЛЕЙ ИЗ 3D-ПЕЧАТНЫХ ФОРМ

Большинство пластмассовых изделий в мире сегодня изготавливаются методом литья под давлением. Используя недорогие настольные 3D-принтеры и машины для литья под давлением, можно создавать формы для производства небольших функциональных деталей из производственных пластмасс.

При производстве небольшого объема (приблизительно 10-100 деталей) 3D-печатные формы экономят время и деньги. Они также позволяют использовать более гибкий подход к производству, предоставляя инженерам и дизайнерам возможность легко модифицировать формы и продолжать выполнять итерации своих проектов с низкими затратами времени и средств.

Стереолитографический 3D-принтер Form 2 (SLA) производит полностью твердые гладкие детали, которые могут выдерживать температуру и давление настольного литья под давлением. 3D-печати, производимые с использованием SLA, химически связаны, так что они полностью плотные и изотропные, производя функциональные формы с качеством, невозможным для FDM.

Formlabs сотрудничает с Galomb Inc., производителем недорогих машин для литья под давлением, для тестирования и демонстрации жизнеспособности SLA печатных форм для литья под давлением.

Рис. 2 : 3D печатные формы в алюминиевых рамках.

МЕТОД

Как прозрачные, так и высокотемпературные полимеры могут использоваться для печати небольших функциональных форм, причем высокотемпературные полимеры предлагают совместимость с более широким диапазоном температур

термопластичных расплавов. Прозрачный полимер Formlabs был выбран из-за его прочности, высокой детализации и гладкой поверхности Прозрачный полимер предпочтительнее из-за его прозрачности, поскольку Вы можете легко увидеть, когда формы заполняются, но любой из стандартных полимеров Formlabs (прозрачный, белый, черный и серый) также может использоваться, поскольку они имеют схожие механические свойства. Формы были напечатаны с высотой слоя 100 мкм и потребовали приблизительно 5 часов на форму. В зависимости от геометрии, множественные формы могут быть напечатаны сразу на платформе сборки, чтобы повысить эффективность печати.

Рис. 3 : Настройка печати в PreForm с полостями вверх.

Две формы были напечатаны из прозрачного полимера. Детали и последующие формы были спроектированы таким образом, чтобы они соответствовали размерам тисков машины Galomb, емкости цилиндра впрыска 1 дюйм3 и объему построения Form 2. После печати детали ополаскивали в ванне из 90% изопропилового спирта в течение 20 минут каждую, опоры удаляли, а следы опор шлифовали.

Затем детали выдерживали в течение одного часа под ультрафиолетовой лампой 405 нм, чтобы достичь полной механической прочности и жесткости. Чтобы лучше понять влияние пост-отверждения на детали, см. буклет Formlabs о УФ пост-отверждении.

Рис. 4 : 3D печатные формы в алюминиевых рамках и детали, литые под давлением.

Первой формой был большой логотип бабочки Formlabs, а второй — четыре небольших логотипа бабочки Formlabs. Обе формы имели полость, узкие входы и литник в точке впрыска и были спроектированы в Solidworks. Формы были вставлены в алюминиевые рамки для обеспечения защиты от понижающего давления и нагрева сопла впрыска. Алюминиевые рамки также могут препятствовать деформации формы после повторного использования. Рамки, изображенные на рисунках 2 и 4, были изготовлены на заказ Whittaker Engineering в Шотландии, но стандартные алюминиевые рамки легко доступны по заказу у производителей машин для литья под давлением.

Пластиковые гранулы можно приобрести в интернет-магазинах или у поставщиков, таких как IASCO-TESCO. Чтобы создать различные цвета, расплавленный пластик предварительно смешивали с порошкообразными красителями перед впрыском.

Используя настольную модель машины для литья под давлением Model-B100, Galomb пртестировала печатные формы с 25 впрысками ПЭНП. ПЭНП плавится при приблизительно 325 °F (163 °C) и был выбран из-за его низкой температуры плавления. Следует отметить, что прозрачный полимер Formlabs Clear Resin имеет деформационную теплостойкость (HDT) при 0,45 МПа 73,1 ºC после пост- отверждения (см. паспорт материала). HDT является показателем тепловых свойств материала, но не исключает этого для применения, хотя ПЭНП имеет более высокую температуру расплава. То, будет ли ваша 3D-печатная форма выдерживать процесс литьевого формования, зависит от температуры расплава материала для впрыска, геометрии детали и времени охлаждения и цикла.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ ПРОЗРАЧНОГО ПОЛИМЕРА

После 25 впрысков ПЭНП не было заметного ухудшения поверхности форм (стружки, трещин или царапин). ПЭНП не склонен к прилипанию к полимерным формам при испытаниях, но для других пластмасс может потребоваться применение средства для удаления формы, чтобы помочь в извлечении детали. Адгезия детали к форме может вызвать износ формы во время извлечения. Антиадгезионная смазка широко доступна, и силиконовая антиадгезионная смазка совместима со стандартными и высокотемпературными полимерами Formlabs.

Время цикла для каждого впрыска составляло приблизительно три минуты. Этот процесс был ускорен с применением сжатого воздуха для охлаждения пресс-формы. Циклический впрыск в формы, напечатанные на Form 2, заставляет форму нагреваться. Чтобы противодействовать этому, время охлаждения между циклами с открытой формой должно быть увеличено. В то время как форма не может деформироваться, слишком большое количество остаточного тепла уменьшит успех формования, если форма будет открыта слишком рано. Galomb также улучшила успех формования путем протравливания неглубоких (глубиной 0,05 мм) вентиляционных отверстий (не изображены), ведущих от края полости к краю формы, так что воздух не попадает внутрь полости во время инъекции.

Некоторые из впрысков выявили утечку на разделительной линии из-за деформации полимерной формы во время фазы охлаждения после нескольких впрысков. Увеличение усилия зажима в тисках может помочь смягчить утечку, также как и полировка плоскости разделения формы, чтобы придать ей как можно более ровную поверхность. Galomb предложила включить каналы в конструкцию формы для включения металлических трубок и заполнения их эпоксидной смолой с алюминием, в качестве стратегии усиления формы, уменьшения деформации и улучшения времени охлаждения.

Рис. 5 : Ассортимент деталей литьевого формования, изготовленных с использованием 3D-печатных форм.

ДАЛЬНЕЙШЕЕ ТЕСТИРОВАНИЕ С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ПОЛИМЕРОМ

Формы из прозрачного полимера успешно тестировались с использованием ПЭНП, который имеет относительно низкую температуру расплава. Более высокие температуры расплава могут вызвать термический шок в печатных деталях из прозрачного полимера, который проявляется в виде деформированной поверхности формы.

Прозрачные полимерные формы испытывают тепловой удар при воздействии расплавленного пластика более высокой температуры.

Formlabs напечатала форму корпуса USB-устройства из высокотемпературного полимера High Temp Resin, чтобы протестировать

Температура плавления	пластмассы(Источник: Plastic Troubleshooter)	Высокотемпературный полимер High Temp (HDT при 0,45 МПа = 289° C)	Прозрачный полимер Clear (HDT при 0,45 МПа = 73,1° C)
ПЭНП	163 °C
ПП	177 °C
ТПЭ	177 °C
ПЛА	180 °C
АБС	204 °C
ПНД	204 °C
ЭВА	204 °C
Полистирол	226 °C

Формы из высокотемпературного полимера не показали температурного ухудшения на поверхности формы для любой из тестируемых пластмасс.

*Полимер DURABLE RESIN находится в процессе разработки и окончательные характеристики могут быть изменены.

High Temp и Standard являются полимерами, наилучшим образом подходящими для формования. Из полимеров Formlabs, High Temp имеет наивысший показатель HDT при 0,45 МПа и низкое тепловое расширение. Это также самый жесткий материал с высоким коэффициентом растяжения.

Относительно высокая жесткость высокотемпературного полимера High Temp Resin означает, что форма не будет деформироваться при удалении детали. Это делает использование антиадгезионной смазки особенно важным для удаления деталей, отлитых из жестких пластмасс, таких как полистирол.

РЕШЕНИЕ ОБЩИХ ПРОБЛЕМ

Утечка, вызванная переполнением формы.

Утечка возникает, когда впрыскиваемый пластик вытесняется между двумя половинами формы. Это может произойти, когда форма переполнена, или если плоскость разделения не совсем плоская. Добавление тонких выходных каналов в форму может помочь смягчить утечку из-за избыточного давления внутри пресс-формы, облегчить удаление детали и устранить захваченный воздух, который может вызвать пузыри в формованной детали. Хотя это и не изображено, печатные формы были испытаны без алюминиевой рамки. Недостатком такого подхода является то, что эти детали используют больше материала, что увеличивает стоимость печати и время, а формы могут быть более подвержены деформации. Благодаря этому способу стальная шайба, размещенная между печатной формой и соплом машины для литья под давлением, защищает печать от прямого контакта и помогает распределить силы. Кроме того, предварительное уплотнение цилиндра установки литьевого формования путем прижатия его к металлическому блоку помогает обеспечить отсутствие воздушных карманов для разрушения потока пластика.

Печатные линии видны на некоторых деталях; это может быть уменьшено путем печати формы с меньшей высотой слоя. Формы, используемые в этом исследовании, были напечатаны с высотой слоя 100 мкм, но также можно было использовать 50 или 25 микрон. Это улучшит чистоту поверхности формы, но увеличит время печати и уменьшит срок службы резервуара.

Итоговый корпус USB-устройства, созданный с помощью формы из высокотемпературного полимера.

УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ.

При проектировании формы оцените, что будет успешно печататься, а также то, что будет успешно сформовано.

Добавление от одного до трех градусов углубления на поверхностях, перпендикулярных направлению углубления, позволит легче удалить деталь и свести к минимуму ухудшение состояния формы. Скругления следует наносить на внутренние края, чтобы уменьшить коробление от внутреннего пластического напряжения и облегчить удаление детали.
Тисненые и гравированные детали должны быть смещены с поверхности не менее чем на 1 мм.
Если Вы планируете использование алюминиевой рамки,Поверхности разделяемых плоскостей можно полировать мелкозернистой наждачной бумагой для уменьшения вспышки. добавьте дополнительную пластину толщиной 12 мм к задней части пластины формы, чтобы учитывать силы сжатия и обеспечить полное уплотнение.
Обязательно сориентируйте половинки формы в PreForm, чтобы полость была направлена вверх. Это предотвратит наличие опорных меток внутри полости и упростит обработку после печати.