21. června 2019 08:49

3D tlač vstrekovacích foriem

Vstrekovanie plastov je najbežnejšou metódou pre výrobu plastových dielov. Je ideálna pre výrobu veľkého počtu identických dielov s malými toleranciami. V minulosti sa pri navrhovaní a vo výrobnom procese používala 3D tlač iba pre vytváranie a overovanie prototypov, ktoré by sa neskôr mohli vstrekovať. V súčasnosti technologický vývoj v oblasti presnosti tlačiarní, povrchovej úpravy a materiálov umožňuje 3D tlačiarňam priamo vyrábať formy. Tento príspevok pojednáva o výhodách používania 3D tlače pri výrobe vstrekovacích foriem pre kusovú a málo sériovú výrobu a poskytuje prehľad o možných konfiguráciách foriem, dostupných materiáloch a postupoch pri tvorbe 3D tlačených foriem.

Vstrekovanie plastov
Vstrekovanie je proces vytvárania komponentov vstrekovaním roztaveného materiálu pod tlakom do formy. Materiál vyplní dutiny formy a po ochladení a vytuhnutí sa forma otvorí a vypadne hotový komponent a proces sa opakuje. Automatizácia tohto procesu môže priniesť vysoké výrobné rýchlosti. Bežne používané materiály pre vstrekovanie sú termoplastické polyméry, ale je možné použiť aj určité termosety. Vysoké počiatočné náklady spojené so vstrekovaním majú za následok, že táto technológia je nákladovo efektívna len pri vysokých výrobných objemoch. Tieto náklady sa môžu pohybovať medzi 10 000 až 100 000 € a sú spojené najmä s výdavkami na navrhovanie, konštrukciu a výrobu vstrekovacích foriem. Vstrekovanie sa zvyčajne používa len na výrobu veľmi veľkých objemov identických dielov pri nízkych nákladoch. Takáto výroba môže zahŕňať produkciu tisícov alebo niekedy miliónov komponentov. Málo sériová výroba pomocou vstrekovania sa spravidla týka 10 až 100 dielov. Takéto malé výrobné objemy neboli finančne realizovateľné z dôvodu veľmi vysokých nákladov spojených s výrobou nástrojov (vstrekovacie formy).

Obr. 1: Vstrekovacia forma

3D tlač foriem
V prvom rade je dôležité zvážiť, či sa na výrobu dielov použije forma pre vstrekovanie plastov. Štandardne sa formy vyrábajú z kovu (najčastejšie hliník alebo oceľ) pomocou CNC obrábania s vysokou presnosťou. Tieto materiály poskytujú dobrú odolnosť proti opotrebeniu pri opakovanom vstrekovaní, otváraní a zatváraní formy a teplotných gradientoch, ktorým bola vystavené počas procesu vstrekovania. Kovové formy však vyžadujú počiatočné veľké investície v etape výroby. Pre vstrekovanie s nízkym objemom výroby už odolnosť proti opotrebeniu nie je najdôležitejším faktorom. Niektoré technológie 3D tlače, ako napríklad SLA, sú schopné vyrábať diely s vysokou presnosťou a vynikajúcou povrchovou úpravou. Keď je to spojené s modernými teplotne odolnými 3D tlačovými materiálmi a dostupnosťou 3D tlače, znamená to, že 3D tlačené formy sú životaschopnou voľbou pre výrobu nízkoobrátkových vstrekovacích foriem. 3D tlačené formy tiež umožňujú rýchle overenie konštrukcie formy, čím sa znižuje finančné riziko investovania do drahej kovovej formy. 3D tlačené formy sú najvhodnejšie pre:

• Rýchla doba dodania (1–2 týždne oproti 5–7 týždňom),
• aplikácie, kde sú nízke výrobné množstvá (50–100 dielov),
• formy, kde budú pravdepodobné zmeny alebo iterácie,
• diely, ktoré sú relatívne malé (menej ako 150 mm).

Obr. 2: Tvarová vložka vytvorená technológiou 3D tlače

3D tlačené formy sa vyrábajú v 2 štandardných konfiguráciách:

• Tvarové vložky v hliníkových rámoch: toto je najbežnejšia konfigurácia 3D tlačených foriem a vo všeobecnosti produkuje presnejšie diely. Tvarová vložka je vytlačená pomocou 3D tlačiarne a potom vložená do pevných hliníkových rámov, ktoré poskytujú oporu proti tlaku a teplu vstrekovacej dýzy. Hliníkové rámy tiež pomáhajú predchádzať deformácii formy po opakovanom používaní.
• Samostatné formy: v tejto konfigurácii formy je forma plne 3D vytlačená a nepoužíva sa pevný hliníkový nosný rám. Týmto spôsobom môžu byť do formy integrované zložité chladiace kanály, ale formy vyrobené pomocou tohto postupu vyžadujú viac 3D tlačového materiálu (zvýšenie nákladov na tlač a čas) a po použití sú náchylnejšie na deformácie.

Pri navrhovaní formy je potrebné sa uistiť, že vnútorné strany formy sú orientované tak, aby s nimi nebola v kontakte. Tým sa zlepší ich povrchová kvalita, pretože na týchto povrchoch nebudú prítomné žiadne podporné štruktúry, čo minimalizuje následné spracovanie. Zahrnutie odvzdušňovacích otvorov od okraja dutiny k okraju formy pomôže vytlačiť zachytený vzduch počas procesu lisovania. Ak sa má 3D tlačená forma použiť na viac ako 20 cyklov je na zváženie zahrnutie kanálov do konštrukcie na zapustenie kovových tyčí alebo rúrok. To posilní formu, čo má za následok eliminovanie deformácií a zníženie času chladenia. 3D tlač formy s nižšou výškou vrstvy vytvára hladšie lisované diely. Reliéfne a ryté detaily by mali byť odsadené od povrchu aspoň o 1 mm. Špecifické obmedzenia konštrukčného riešenia sú závisle od použitého vstrekovacieho stroja. Formy vyrobené prostredníctvom tlačiarní Material Jetting by mali byť použité na výrobu súčiastok s maximálnym objemom 165 cm3 v lisoch s uzatváracou silou 50 až 80 ton, alebo ručných lisoch.

Materiál pre 3D tlač foriem
3D tlačový materiál je vhodný na vytvorenie vstrekovacej formy, ak spĺňa nasledujúce vlastnosti:

• Vysoká tepelná odolnosť – je potrebná na to, aby odolala mechanickým a tepelným zaťaženiam formy počas vstrekovania materiálu.
• Vysoká tuhosť / húževnatosť – opakované odstraňovanie komponentov môže spôsobiť opotrebenie formy, takže vysoká tuhosť materiálu je potrebná na udržanie presnosti formy.
• Vysoká úroveň detailov – Jednou z hlavných požiadaviek vstrekovacej formy je vysoká rozmerová presnosť a hladký povrch. Vysoko presné formy budú vyrábať vysoko presné diely.

Technológie 3D tlače, ktoré najlepšie spĺňajú tieto požiadavky, sú SLA a Material Jetting. Týmito technológiami je možné vyrábať diely s vysokou rozmerovou presnosťou a sú ideálne pre zložitú detailnú tlač. Špeciálne materiály, ktoré sú k dispozícii v týchto technológiách, ako je napríklad Formlabs High Temperature Resin alebo Stratasys Digital ABS, sú ideálne pre tvarovacie a nástrojové aplikácie.

Záver
Vstrekovanie plastov je technológia, ktorá sa používa pre sériovú výrobu finálnych dielov. Formy sú základom tohto procesu, ale ich vývoj je často zložitý, vysoko nákladný a časovo náročný. Formy vyrobené z nástrojovej ocele sa používajú v hromadnej výrobe a ich životnosť je milióny cyklov. Keď je potrebných len desaťtisíce vstrekovaných dielov je možné ako materiál formy použiť hliník. Tieto formy sú lacnejšie a ich výroba je rýchlejšia ako pri oceľových formách. Otázkou ostáva, či je práve použitie hliníku najvhodnejšie riešenie aj pre niekoľko stoviek lisovaných dielov. Práve s týmito otázkami majú výrobcovia na zreteli použitie 3D tlačených foriem na výrobu súčiastok, ktoré sa použijú na vytvorenie funkčných prototypov.

Ing. Tomáš Coranič, Doc. Ing. Štefan Gašpar, PhD.
Fakulta výrobných technológií Technickej univerzity v Košiciach
so sídlom v Prešove
www.fvt.tuke.sk

Použitá literatúra
1. PLANCAK, M.: Rapid Prototyping and Rapid Tooling. FTN, Novi Sad, 2009, 164 p., ISBN 97886-7892-232-9
2. PACURAR, R. – BALC, N. – PREM, F.: Research on how to improve the accuracy of the SLM metallic parts. In: 14th International Conference on Material Forming Esaform, Belfast, Book Series: AIP Conference Proceedings, Vol. 1353, 2011, p. 1385–1390
3. IML injection molds. [online], Dostupné na World Wide Web:
https://a-mold.com/portfolio-item/blue-tooth-speaker-bracket
4. 3D Printing low-run injection molds. [online], Dostupné na World Wide Web: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/3d-printing-low-run-injection-molds
5. Cutting time and costs of moulds with 3D printing. [online], Dostupné na World Wide Web: http://www.plastix-world.com/cutting-time-and-costs-with-3d-printing