Americká společnost Built-Ride Tool & Die snížila náklady o 90 %

Built-Rite Tool & Die je firma zabývající se výrobou a navrhováním forem se sídlem v Massachusetts s odbornými znalostmi na poli výroby přesných vstřikovacích forem. Specializuje se na výrobu forem pro vstřikování plastů. Tyto formy mají často složitý design vyžadující rozsáhlé plánování a přesné provedení.

Výzva

Malé až střední podniky jako Built-Rite čelí rostoucímu tlaku mezinárodních i domácích konkurentů. Zámořští výrobci nabízejí nižší ceny a domácí výrobci prototypů nabízejí krátkou dobu zpracování pro malé počty dílů. 3D tisk poskytuje společnosti Built-Rite příležitost zvládnout realizaci za kratší dobu a snížit náklady na rychloobrátkové služby spojené s vstřikovacími formami v porovnání s domácími výrobci prototypů. Kritickým aspektem pro získání projektových nabídek a splnění náročných termínů je schopnost rychlých iterací.

Řešení Studio System™ umožnilo společnosti Built-Rite vyrábět rychloobrátkové součásti pro sestavu vstřikovacích forem s použitím procesu, který vyžaduje méně práce oproti jiným konvenčním strojům a konkurenceschopněji než externí společnosti vyrábějící prototypy. Tiskárna Studio System využívá výplň s uzavřenými buňkami pro výrobu lehkých dílů při využití minimálního množství materiálu a bez narušení odolnosti proti opotřebení požadované pro nástrojářské aplikace.

Rozměr dílu

2,54 × 3,57 × 7,62 cm

Výroba s použitím Studio System

Technologie

Typ materiálu

AISI 4140 ocel

Odstupy výplně

2,8 mm

Hmotnost dílu

320 g

Doba výroby

50 hodin
(tisk 14 h, debind 6 h, sintrace 30 h)

Náklady na díl

47 USD

 

Externí firma na výrobu prototypů

Technologie

CNC obrábění z plného kovového bloku

Typ materiálu

4140 ocel

Hmotnost dílu

545 g

Doba výroby

3 dny

Náklady na díl

493 USD

Vstřikovací forma je velmi komplexní sestava a musí být zkonstruována tak, aby odolala velmi vysokým tlakům. Okamžitě jsme rozpoznali výhody používání tištěných kovových dílů v našich formách, včetně schopnosti rychlejší výroby kovových vložek, schopnosti designování chladicích kanálů způsobem, kterým to dříve nebylo možné – přizpůsobení geometrie dutin a také odlehčení dílů pro účely snížení únavy obsluhy. Co trvalo dva týdny s externími dodavateli, lze nyní zvládnout za pár dnů. Můžeme zvýšit konstrukční kapacitu a diverzifikovat. Dokážeme také zpracovat větší počet zakázek – zejména na poli výroby prototypů. Dříve jsme nedokázali nabídnout konkurenční řešení v přiměřeně krátkém čase.“

Ron Caron
Generální ředitel ve společnosti Built-Rite

Posouzení vhodnosti technologie

Vstřikování plastů do formy je výrobní proces pro výrobu dílů ve velkých objemech. Provádí se vstřikováním roztaveného plastového materiálu pod velkým tlakem do dutin ve formě vytvořených pro natvarování dílu. Pro masovou výrobu nabízí vstřikování do formy nízké náklady na díl, opakovatelné výstupy a minimální odpad vstřikovaného materiálu. Tímto procesem prochází asi 32 % všech zpracovávaných plastů, což z něj dělá dominantní výrobní metodu.

Proces vytváření forem je rozsáhlý, vyžaduje precizní plánování a realizaci. Zároveň je potřeba dodržet termíny požadované klientem, iterace a očekávání ohledně kvality dílu. Forma je tvořena řadou složitých dutin, vložek a chladicích kanálů. Vstřikovací formy musí odolat opakovaným nárazům a vystavení vysokoteplotním polymerům – proto je odolnost proti opotřebení kritickou vlastností. Mezi výzvy patří vysoké náklady na nástroje a dlouhá doba potřebná pro realizaci. Designové změny mohou výrazně ovlivnit čas a náklady, proto je pro celkovou účinnost procesu kritická schopnost rychlých iterací.

Řešení Studio System využívá technologii nazvanou Bound Metal Deposition™, kdy se kovové tyčinky – kovový prášek a polymerová pojiva – nataví a pak se vytlačují na tiskovou plochu, přičemž vytvářejí vrstvou po vrstvě tzv.: „zelený díl – green part“. Díl se ponoří do patentované kapaliny, kde se vyplaví pojivo a na závěr se provede sintrování v peci, kterou lze používat v kancelářském prostředí. Třídílný systém je navržen jako komplexní řešení pro interní 3D tisk z kovu.

0 %
Úspora nákladů
0 %
Úspora času
0 %
Snížení hmotnosti

Výroba dílu a porovnání

Společnost Built-Rite porovnala stávající vložku do dutiny vstřikovací formy pro prvotní testování s řešením Studio System. V porovnání s externím dodavatelem pro výrobu prototypů dosáhlo řešení Studio System nižších nákladů a kratšího času potřebného pro výrobu, ale i snížení hmotnosti dílu a množství použitého materiálu.

Vyhodnocení

Nástroje pro vstřikování do formy vyžadují přesné tolerance, aby sestava dobře seděla, a leštěný povrch na plochách, které přicházejí do kontaktu se vstřikovaným plastem kvůli snadnému vyhazování dílu z formy. Na sintrovaném dílu byla posuzována funkčnost dílu na základě dvou stádií po zpracování pro účely sledování proměnlivosti procesních parametrů a chování materiálu, a následně bylo provedeno funkční testování dílu při použití.

Broušení povrchu

Zaměstnanci společnosti Built-Rite brousili povrch vložek do formy vyrobených pomocí 3D tisku na požadovanou toleranci a povrchovou úpravu. Posuzovali, zda je potřeba speciální zacházení a stanovili, že díly se ohřívaly podobně jako jiné nástrojové oceli a nevzniká problém s rozměry nebo napasováním vložek do sestavy formy.

Elektrojiskrové obrábění (EDM)

Zaměstnanci používali EDM pro dosažení požadované povrchové úpravy na povrchu dutiny vložky. Posuzovali potřebu proměnlivého nastavení parametrů, opotřebení elektrod a výsledné povrchové úpravy. Stanovili, že není nutné odlišovat parametry EDM pro tištěné díly a opotřebení elektrod bylo srovnatelné s netištěnými vložkami. Nebyly patrné rozdíly v povrchové úpravě.

Funkční testování

Po dokončovacích úpravách byla vložka nainstalována do sestavy formy a použita pro výrobu plastových dílů z acetalu, což je neabrazivní plastový materiál s nízkým třením. Teplota plastu při vstřikování do formy je přibližně 205 °C a teplota samotné vložky je udržována na hodnotě 82 °C až 121 °C. Testovací provoz čítající přibližně 100 cyklů neukázal žádné nedostatky na vyrobených plastových dílech a vložka vyrobená pomocí 3D tisku nevykazovala žádné známky opotřebení.

Shrnutí

Úspěch prvního vyhodnocení naznačil potenciál řešení Studio System pro aplikace vstřikování do formy. Systém umožňuje výrobcům vstřikovacích forem zlepšit provoz a využít výhod aditivní výroby bez nutnosti spoléhání se na externí dodavatele. To zahrnuje menší spotřebu materiálu a tisk s výplní s uzavřenými buňkami, tedy nižší náklady a schopnost výroby lehčích dílů při zachování odolnosti proti opotřebení požadované pro nástrojové aplikace. Ve spojení s neočekávanými designovými změnami nebo krátkými reakčními časy umožňuje Studio System výrobcům forem rychlejší provádění změny designu s nižšími náklady než při outsourcingu u externích výrobců forem.

Při dalším testování bude posuzován vliv designové flexibility řešení Studio System na vytváření vložek do forem s chladicími kanály, které budou kopírovat tvar dutiny formy. Tím se docílí stejnoměrného chlazení plastového dílu ihned po vstřikování, omezení lokálních „horkých míst“ a optimalizování kvality dílu způsobem, jaký u tradičních metod výroby není možný. Doplňkové testy zahrnují i tisk s použitím nástrojové oceli H13, což je materiál běžně používaný pro tuto aplikaci.