Khuôn dập in 3D: Cắt giảm chi phí gia công mà không cần cắt góc

Giải thích về khuôn dập in 3D

Hãy tưởng tượng bạn cần một công cụ tạo hình tùy chỉnh cho một bộ phận kim loại tấm, nhưng báo giá cho khuôn thép gia công-CNC lại lên tới hàng nghìn đô la và thời gian thực hiện hàng tuần. Đối với một nguyên mẫu gồm 20 phần, phép toán đó hiếm khi hiệu quả. Đây chính xác là nơi khuôn dập in 3D phù hợp.

Khuôn dập in 3D là các bộ phận công cụ được sản xuất phụ trợ - đục lỗ, khối khuôn hoặc công cụ tạo hình - dùng để định hình kim loại tấm thông qua lực ép, được sản xuất thông qua chế tạo từng lớp-theo-lớp thay vì gia công thép công cụ CNC truyền thống.

Những công cụ này sẽ không thay thế khuôn thép cứng trên dây chuyền sản xuất 500.000-bộ phận. Nhưng đối với việc tạo mẫu, xác nhận thiết kế và chạy thử trong thời gian ngắn, chúng loại bỏ các rào cản về chi phí và thời gian thực hiện khiến các hoạt động hình thành bị hạn chế do mức đầu tư tối thiểu cao. Nghiên cứu vềCông cụ dựa trên FDM{0}}để tạo hình kim loại tấmxác nhận rằng các công cụ tạo hình được sản xuất bằng công nghệ bồi đắp mang lại lợi thế đáng kể về chi phí cho sản xuất đơn lẻ{0}}mảnh và hàng loạt nhỏ-so với các phương pháp gia công kim loại thông thường.

Khuôn dập in 3D là gì

Về cốt lõi, đây là các thành phần khuôn chức năng được in từ nhựa kỹ thuật, nhựa hoặc kim loại thiêu kết. Chúng được lắp vào máy ép thủy lực hoặc máy ép trục giống như dụng cụ thông thường. Sự khác biệt là ở phương pháp chế tạo: thay vì loại bỏ vật liệu khỏi phôi thép, bạn xây dựng hình học khuôn theo từng lớp từ tệp CAD. Điều này làm choKhuôn in 3D để tạo mẫu nhanhlặp đi lặp lại và không tốn kém để thay thế khi thiết kế thay đổi.

Ai được hưởng lợi từ công cụ in

Cơ sở người dùng trải rộng trên phạm vi rộng:

• Các nhà thiết kế sản phẩm xác nhận hình học kim loại tấm đã định hình trước khi đưa vào sản xuất dụng cụ
• Các nhóm tạo mẫu cần các bộ phận kim loại chức năng theo dòng thời gian được tính bằng ngày chứ không phải tháng
• -Các nhà sản xuất có khối lượng thấp sản xuất từ ​​10 đến 500 bộ phận mà chi phí dụng cụ truyền thống không bao giờ được khấu hao
• Những người có sở thích và các cửa hàng nhỏ chạy máy ép thủy lực hoặc máy ép trục cho giá đỡ, vỏ và các bộ phận định hình tùy chỉnh

Hướng dẫn này đề cập đến khuôn dập in 3D dành cho kim loại tấm trên mọi công nghệ in và loại vật liệu chính. Đó là công nghệ-bất khả tri - không một thương hiệu máy in hay nhà cung cấp vật liệu nào được ưu ái. Bạn sẽ tìm thấy thông tin trung thực về cả khả năng và hạn chế, bao gồm cả các lựa chọn thay thế khuôn dập khối lượng thấp hợp lý và các tình huống mà chúng không đạt được.

Câu hỏi thực sự không phải là liệu khuôn in có hoạt động hay không. Đó là cách tiếp cận công nghệ, vật liệu và thiết kế phù hợp với yêu cầu tạo hình cụ thể của bạn - và điều đó bắt đầu bằng việc hiểu rõ chính quy trình in.

Chọn công nghệ in 3D phù hợp cho khuôn

Mỗi quy trình in tạo ra một khuôn khác nhau ở cấp độ phân tử và điều đó trực tiếp định hình cách thức hoạt động của công cụ dưới lực ép. Khuôn được in bằng dây tóc hợp nhất sẽ không hoạt động giống như khuôn được xử lý từ nhựa lỏng hoặc thiêu kết từ bột kim loại. Công nghệ in 3d tốt nhất để dập khuôn phụ thuộc hoàn toàn vào những gì bạn đang tạo hình, số lượng bộ phận bạn cần và lực yêu cầu khi vận hành.

Dưới đây là so sánh công nghệ in 3D thực tế về công cụ trên bốn dòng quy trình chính.

FDM chết vì hình thành lực-thấp

Mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM) là điểm đầu vào dễ tiếp cận nhất. Một chiếc máy tính để bàn ép đùn sợi nhựa nhiệt dẻo theo từng lớp, tạo ra hình dạng khuôn trong vài giờ với giá vật liệu vài đô la. Sự đánh đổi? Các đường lớp tạo ra kết cấu bậc thang-có thể nhìn thấy được trên các bề mặt tạo hình và liên kết giữa các lớp luôn yếu hơn chính vật liệu. Tính bất đẳng hướng này rất quan trọng vì lực tạo hình thường đặt khuôn vuông góc với các mặt phẳng lớp.

Khuôn FDM hoạt động tốt khi uốn cong đơn giản và tạo hình-lực thấp bằng nhôm hoặc đồng thau mỏng. Bạn sẽ nhận thấy chúng hoạt động tốt nhất khi tải trọng nén được phân bổ trên một diện tích lớn thay vì tập trung ở các cạnh sắc. Khi so sánh FDM và SLA cho khuôn dập định hình, ưu điểm chính của FDM là chi phí và tốc độ lặp lại. Nhược điểm chính là độ hoàn thiện bề mặt và dung sai kích thước, thường nằm trong khoảng +/- 0.3 đến 0,5 mm tùy thuộc vào máy in và vật liệu.

SLA và SLS cho các ứng dụng khuôn chính xác

Kỹ thuật in li-tô lập thể (SLA) xử lý nhựa lỏng bằng ánh sáng, tạo ra khuôn có bề mặt nhẵn và dung sai chặt chẽ hơn nhiều so với FDM.Nghiên cứu của Formlabs về-các công cụ tạo hình in theo SLAđã chứng minh rằng khuôn nhựa cứng có thể chịu được lực ép đáng kể khi được thiết kế phù hợp, với bề mặt nhẵn giúp loại bỏ bước đánh bóng mà khuôn kim loại đôi khi yêu cầu. Các bộ phận SLA cũng có tính đẳng hướng, nghĩa là độ bền không thay đổi đáng kể theo hướng xây dựng. Điều này làm cho chúng trở thành sự lựa chọn tốt hơn FDM khi lực hình thành đến từ nhiều hướng.

Thiêu kết Laser chọn lọc (SLS) nung chảy bột polymer trên giường được gia nhiệt. Bởi vì bột không nung sẽ hỗ trợ chi tiết trong quá trình in, khuôn SLS có thể kết hợp các hình dạng phức tạp mà không làm mất đi tính toàn vẹn của cấu trúc. Độ chính xác về kích thước của khuôn in SLS thường nằm trong khoảng +/- 0.1 đến 0,3 mm và kết quả là các bộ phận nylon mang lại độ bền và khả năng chống va đập tuyệt vời. Bề mặt có kết cấu hơi sần sùi từ bột, nhưng nó đồng đều hơn so với các đường lớp FDM và chuyển các dấu hiệu ít nhìn thấy hơn sang các bộ phận được tạo hình.

Thiêu kết kim loại cho yêu cầu tải trọng-cao

Khi lực tạo hình vượt quá mức mà bất kỳ loại polyme nào có thể xử lý, khuôn thiêu kết kim loại để dập kim loại tấm sẽ trở thành con đường phía trước. Nấu chảy bằng Laser chọn lọc (SLM) và Thiêu kết Laser kim loại trực tiếp (DMLS) tạo ra khuôn kim loại hoàn toàn đậm đặc từ nhôm, thép không gỉ hoặc bột thép công cụ. Những khuôn này có thể chịu được lực tương tự như dụng cụ gia công, cùng với lợi ích bổ sung là các kênh làm mát bên trong hoặc cấu trúc mạng giảm-trọng lượng mà phương pháp gia công thông thường không thể tạo ra.

Khuôn in-kim loại có giá cao hơn đáng kể và yêu cầu-xử lý sau như giảm ứng suất, khử bột và thường gia công các bề mặt quan trọng. Chúng có ý nghĩa đối với các dạng hình học đắt tiền khi gia công thông thường hoặc khi các tính năng phù hợp biện minh cho gánh nặng quy trình.

Mô hình rất đơn giản: khi yêu cầu về lực và số lượng bộ phận tăng lên, bạn chuyển từ FDM qua SLA và SLS sang kim loại. Nhưng quyết định không hoàn toàn là về khả năng chịu tải. Khuôn cần sản xuất các bộ phận có kiểm soát kích thước chặt chẽ và bề mặt sạch có thể phù hợp với SLA ngay cả ở lực thấp hơn, trong khi uốn nguyên mẫu thô có thể vẫn ở mức FDM bất kể ngân sách sẵn có.

Lựa chọn công nghệ sẽ đưa ra quyết định quan trọng tiếp theo: vật liệu cụ thể nào trong mỗi dòng quy trình mang lại cho khuôn của bạn các đặc tính cơ học cần thiết để tồn tại trong các chu kỳ tạo hình lặp đi lặp lại.

Hướng dẫn lựa chọn vật liệu cho khuôn in định hình

Vật liệu bạn in sẽ xác định khuôn của bạn có thể chịu được bao nhiêu lực, nó tồn tại được bao nhiêu chu kỳ và liệu bộ phận được tạo hình có sạch sẽ hay được đánh dấu hay không. Hai khuôn có hình dạng giống hệt nhau sẽ hoạt động hoàn toàn khác nhau nếu một khuôn được in bằng PLA và khuôn kia được in bằng sợi nylon gia cố-sợi{2}}thủy tinh. Chọn vật liệu sợi tốt nhất cho khuôn dập có nghĩa là các đặc tính cơ học phù hợp với tải tạo hình cụ thể và loại kim loại tấm của bạn.

Vật liệu nhựa nhiệt dẻo để tạo khuôn

Sợi FDM có nhiều loại từ các tùy chọn-thân thiện với ngân sách phù hợp cho việc tạo nguyên mẫu-sử dụng một lần cho đến các loại polyme kỹ thuật-có khả năng thực hiện hàng trăm chu kỳ hình thành. Đây là cách các lựa chọn phổ biến được xếp chồng lên nhau:

• PLA- Độ cứng cao với độ bền kéo khoảng 50 MPa, nhưng dễ gãy khi va đập và mềm ra trên 60 độ C. Tốt cho -khái niệm-uốn cong bằng nhôm mỏng nhưng có thể sẽ bị nứt khi sử dụng nhiều lần.
• ABS- Khả năng chống va đập tốt hơn PLA và xử lý nhiệt độ lên tới khoảng 100 độ C. Cường độ nén nằm ở khoảng 70-80 MPa, giúp nó có thể chịu tải tạo hình vừa phải trên kim loại mềm.
• PETG- Cân bằng độ bền với tính dễ in. Độ bền kéo gần 50-60 MPa với độ bám dính lớp tốt hơn ABS, điều này quan trọng khi lực tạo hình đẩy vào các mặt phẳng lớp.
• Ni-lông (PA6/PA12)- Đây là lúc công việc nghiêm túc bắt đầu. Nylon mang lại độ dẻo dai, khả năng chống mỏi và cường độ nén tuyệt vời trong phạm vi 80-100 MPa. Nó hấp thụ các tác động có thể làm nứt các vật liệu cứng, khiến nó rất phù hợp cho các hoạt động tạo hình lặp đi lặp lại.
• Polycarbonate (PC)- Vật liệu FDM phổ biến-có hiệu suất cao nhất dành cho các ứng dụng khuôn, với độ bền kéo vượt quá 5.200 PSI (khoảng 36 MPa tối đa) và khả năng chịu nhiệt lên tới 140 độ C. Sự kết hợp giữa độ cứng, khả năng chống va đập và độ ổn định nhiệt khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho các hoạt động tạo hình đòi hỏi khắt khe.

Khi đánh giá nylon và polycarbonate cho khuôn định hình, quyết định thường đi đến điều này: nylon hấp thụ sốc tốt hơn và chống mỏi trong nhiều chu kỳ, trong khi polycarbonate cung cấp khả năng chịu nhiệt và độ cứng vượt trội cho các ứng dụng-lực cao hơn,-chu kỳ thấp hơn. Nylon thắng cho các hoạt động uốn lặp đi lặp lại; polycarbonate thắng khi khuôn phải chống lại sự biến dạng dưới tải trọng cao kéo dài.

Định hướng lớp là một yếu tố quan trọng dễ bị bỏ qua. Các bộ phận FDM vốn có tính dị hướng - trục Z-(vuông góc với các lớp) thường yếu hơn 40-70% so với trục XY-. Đối với khuôn dập, điều này có nghĩa là bạn nên định hướng bản in sao cho lực tạo hình nén các lớp lại với nhau thay vì bóc chúng ra. Một khuôn được nén thuần túy dọc theo trục Z hoạt động tốt vì các lớp đang bị nén. Cùng một khuôn được chịu lực kéo hoặc cắt qua các lớp sẽ bị hỏng ở một phần cường độ định mức của nó.

Vật liệu khuôn làm từ nhựa-

Nhựa photopolymer mang đến nhiều sự cân bằng khác nhau. Các loại nhựa tiêu chuẩn dễ gãy và kém phù hợp với các ứng dụng tạo hình, nhưng các loại nhựa cứng và được thiết kế kỹ thuật sẽ thay đổi phương trình. Cường độ nén của khuôn nhựa in 3D có thể đạt đến mức ấn tượng: nhựa gia cố composite- đạt được cường độ nén khoảng 158 MPa, còn nhựa kỹ thuật cứng mang lại cường độ uốn trên 130 MPa. Những con số này đặt chúng cao hơn hầu hết các loại nhựa nhiệt dẻo FDM về độ cứng.

Các loại nhựa chính cho công việc khuôn:

• Nhựa tiêu chuẩn- Độ bền kéo 20-50 MPa. Quá giòn cho các hoạt động hình thành. Tránh xa.
• Nhựa cứng/ABS{0}}như nhựa- Khả năng chống va đập 41-48 J/m với độ bền kéo khoảng 40-70 MPa. Có thể tạo hình bằng ánh sáng trong đó tính linh hoạt có thể ngăn ngừa hiện tượng nứt nghiêm trọng.
• Nhựa cứng/kỹ thuật- Độ bền kéo 55-90 MPa và hiệu suất uốn trên 130 MPa. Chúng chống biến dạng dưới tải và duy trì độ chính xác về kích thước thông qua các chu kỳ tạo hình.

Ưu điểm của nhựa so với FDM đối với các ứng dụng khuôn là các bộ phận - đẳng hướng được xử lý bằng SLA hoặc DLP thể hiện các đặc tính nhất quán trên tất cả các trục, loại bỏ vấn đề liên kết-lớp{2}}yếu. Nhược điểm là giòn. Ngay cả những loại nhựa cứng cũng có thể bị hỏng đột ngột dưới tải trọng va đập mà không có dấu hiệu cảnh báo trước về biến dạng.

Vật liệu phù hợp với tải trọng định hình

Bảng dưới đây thể hiện các đặc tính vật liệu dựa trên khả năng tạo hình thực tế:

Dây tóc sợi carbon dành cho các ứng dụng dụng cụ đáng được xem xét kỹ hơn.Gia cố sợi carbon làm tăng đáng kể độ cứng và độ ổn định kích thướcđồng thời giảm sự giãn nở nhiệt - một đặc tính giữ cho hình dạng khuôn nhất quán trong các chu kỳ tạo hình lặp đi lặp lại. Các sợi được cắt nhỏ đóng vai trò như vật gia cố bên trong, tăng cường cường độ nén và chống lại sự dão mà các polyme không được độn trải qua dưới tải trọng kéo dài.

Vì vậy, khi nào phí bảo hiểm có ý nghĩa? Các sợi tổng hợp-được lấp đầy sẽ phù hợp với mức giá của chúng khi bạn cần hơn 50 chu kỳ tạo hình, khi độ ổn định kích thước theo nhiệt độ thay đổi là vấn đề quan trọng hoặc khi hình dạng tạo hình có các đặc điểm mỏng có thể uốn cong trong nylon không độn. Đối với một lần uốn nguyên mẫu-sử dụng một lần, nylon tiêu chuẩn là đủ. Đối với khuôn cần tạo ra các bộ phận nhất quán sau nhiều tuần sử dụng không liên tục, nylon-sợi carbon{6}}được gia cố bằng sợi carbon mang lại kết quả tốt hơn đáng kể trên mỗi đô la chi tiêu.

Đặc tính vật liệu đặt ra giới hạn cho những gì khuôn của bạn có thể xử lý. Nhưng bản thân hình dạng của khuôn - độ dày thành, mật độ lấp đầy và dung sai khe hở - sẽ xác định xem bạn có thực sự đạt tới mức trần đó hay không đạt đến mức đó.

Hướng dẫn thiết kế cho hình học khuôn in 3D

Vật liệu bền được in với hình dạng kém vẫn tạo ra khuôn yếu. Độ dày thành, chiến lược chèn và dung sai khe hở là xương sống cấu trúc của bất kỳ công cụ tạo hình in nào và việc mắc sai lầm những điều này là con đường nhanh nhất dẫn đến nứt chày và các bộ phận không nhất quán. Các quy tắc thiết kế cho khuôn được sản xuất bằng bồi đắp khác biệt đáng kể so với dụng cụ gia công thông thường vì bạn đang làm việc với vật liệu nhiều lớp, dị hướng thay vì thép đồng nhất.

Quy tắc về độ dày của tường và góc nháp

Độ dày thành của khuôn tạo hình in 3D cần tính đến cả khả năng in và khả năng chịu tải dưới lực ép. Không giống như các nguyên mẫu trực quan nơi vỏ mỏng tiết kiệm vật liệu, dụng cụ khuôn đòi hỏi chu vi dày, chắc chắn để phân bổ ứng suất tạo hình mà không bị uốn cong hoặc nứt.

Đối với khuôn FDM,nguyên tắc kiểm tra-kỹ thuậtđề xuất tối thiểu gấp 2 đến 3 lần đường kính vòi phun để tạo chu vi đáng tin cậy - nhưng công cụ chức năng cần phải vượt xa mức tối thiểu đó. Các ứng dụng công nghiệp như khuôn mẫu và đồ gá lắp thường yêu cầu độ dày thành trong khoảng từ 5 đến 10 mm để đạt được độ cứng phù hợp khi chịu tải lặp đi lặp lại.

Dưới đây là các quy tắc hình học và tường cốt lõi cần tuân theo:

• Độ dày tường tối thiểu:4 mm đối với khuôn tạo hình-nhẹ (uốn nhôm mỏng); 6-10 mm cho khuôn xử lý lực tạo hình vừa phải bằng thép hoặc vật liệu dày hơn
• Góc dự thảo:Áp dụng dự thảo 1-3 độ trên các mặt khuôn thẳng đứng để hỗ trợ đẩy bộ phận ra và giảm ma sát trong quá trình tạo hình. Khuôn in được hưởng lợi từ lực kéo lớn hơn một chút so với thép gia công vì kết cấu bề mặt làm tăng lực cản trên phôi.
• Tránh chuyển đổi dày{0}}sang-mỏng đột ngột:Những thay đổi đột ngột về độ dày thành tạo ra sự tập trung ứng suất và làm mát không đều trong quá trình in, dẫn đến cong vênh hoặc các khoảng trống bên trong làm suy yếu khuôn khi chịu tải. Sử dụng côn dần dần hoặc phi lê khi thay đổi độ dày.
• Thêm phi lê ở các góc bên trong:Các góc nhọn bên trong tập trung ứng suất và là điểm bắt đầu vết nứt phổ biến. Bán kính phi lê bên trong tối thiểu 2 mm giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của khuôn.
• Định hướng các bề mặt hình thành cách xa các đường lớp:Đặt khuôn sao cho mặt tạo hình quan trọng được in phẳng (mặt phẳng XY) thay vì dựng đứng. Các lớp được nén vuông góc với mặt phẳng của chúng hoạt động tốt; các lớp chịu lực kéo hoặc cắt trên các đường liên kết bị phá hủy ở mức 40-70% cường độ vật liệu định mức.

Chiến lược bổ sung cho tính toàn vẹn của cấu trúc

Mẫu đổ khuôn được in 3D để đảm bảo độ bền quan trọng hơn tỷ lệ phần trăm đổ đầy thô. Khuôn ở mức lấp đầy gyroid 50% có thể hoạt động tốt hơn khuôn ở mức lấp đầy lưới 80% vì hình dạng bên trong phân phối lực đồng đều hơn trên mặt cắt ngang-.

Đối với khuôn dập, hãy xem xét các nguyên tắc điền sau:

• Mật độ lấp đầy tối thiểu 60-70%cho khuôn xử lý tải tạo hình lặp đi lặp lại. Dưới ngưỡng này, các khoảng trống bên trong cho phép nén cục bộ và cuối cùng sụp đổ dưới áp lực theo chu kỳ.
• Mô hình điền vào Gyroid hoặc khốicung cấp sự hỗ trợ nội bộ gần như đẳng hướng. Các mẫu lưới và đường thẳng tạo ra các mặt phẳng yếu thẳng hàng có thể bị cắt khi có-tải trọng trục.
• 100% chất rắnở trên cùng 5-8 mm ngay bên dưới bề mặt tạo hình. Điều này tạo ra một nắp chắc chắn giúp truyền lực ép đồng đều vào cấu trúc chèn bên dưới, ngăn chặn sự lệch bề mặt hoặc xuyên thủng.
• Tăng số lượng vỏ/chu vi lên 5-8 bức tườngcho ranh giới bên ngoài. Các chu vi mang nhiều tải hơn lấp đầy - nhiều chu vi liên tục phân phối ứng suất theo chu kỳ hiệu quả hơn một bức tường dày đơn lẻ, cải thiện hiệu suất mỏi trong các chu kỳ ép lặp đi lặp lại.
• Sử dụng gân thay vì tăng độ thấm đồng đều:Các gân bên trong được định hướng vuông góc với lực tạo hình chính sẽ tăng thêm độ cứng hiệu quả hơn nhiều so với việc tăng tỷ lệ lấp đầy tổng thể. Điều này giúp tiết kiệm thời gian in trong khi củng cố các đường dẫn tải quan trọng.

Một cách tiếp cận thực tế: khuôn in ở mức 70% gyroid lấp đầy với 6 chu vi và 8 lớp rắn trên cùng. Điều này cân bằng thời gian in với hiệu suất của cấu trúc và mang lại cho bạn điểm khởi đầu đáng tin cậy để thử nghiệm.

Đục lỗ-để-Khoảng khuôn cho dụng cụ in

Độ hở của chày và khuôn tiêu chuẩn để dập kim loại sử dụng công thức tỷ lệ phần trăm-mỗi{1} cạnh dựa trên độ dày phôi và độ cứng vật liệu. Đối với dụng cụ thép thông thường,khoảng hở được khuyến nghị thường bắt đầu ở mức 10% độ dày phôi mỗi bên, với những vật liệu cứng hơn cần tới 15-20%.

Khe hở chày và khuôn cho dụng cụ in đòi hỏi phải điều chỉnh ngoài các công thức tiêu chuẩn này vì hai lý do:

• Phương sai kích thước:Khuôn in có dung sai vốn có từ +/- 0.1 đến 0,5 mm tùy thuộc vào quá trình in. Phương sai này phải được thêm vào tính toán giải phóng mặt bằng danh nghĩa. Khuôn FDM có dung sai +/- 0.3 mm sẽ dịch chuyển khoảng hở tổng cộng lên tới 0,6 mm trên cả hai nửa của dụng cụ một cách hiệu quả.
• Tuân thủ vật liệu:Khuôn polymer bị lệch một cách đàn hồi dưới lực tạo hình. Bề mặt khuôn nén nhẹ trong quá trình dập, tạm thời làm giảm khe hở hiệu dụng. Để bù lại, hãy tăng khoảng hở danh nghĩa lên 5-10% so với mức bạn chỉ định cho dụng cụ bằng thép. Ví dụ: nếu cặp khuôn thép yêu cầu khe hở 0,15 mm mỗi bên trên thép nhẹ 1,0 mm thì cặp khuôn in có thể cần 0,20-0,25 mm mỗi bên để đạt được kết quả tương đương.

Kiểm tra độ hở theo kinh nghiệm bằng cách bắt đầu hơi quá khổ và giảm từng bước 0,05 mm trong các lần lặp lại. Với dụng cụ in, việc tạo ra một khuôn sửa đổi mất nhiều giờ thay vì nhiều ngày, do đó việc lặp lại khoảng hở rất nhanh và không tốn kém.

Một điều cần cân nhắc nữa: việc hình thành độ phức tạp của hình học nên đi theo một con đường lũy ​​tiến. Bắt đầu với những đoạn cong chữ V{1}}đơn giản trong đó lực có thể dự đoán được và phân bố đồng đều. Chỉ di chuyển đến các khúc cua chữ U và dạng kênh sau khi xác nhận khả năng sống sót của xúc xắc. Các dạng kéo và dạng hỗn hợp đưa ra tải trọng kéo trên mặt khuôn và ứng suất đa-hướng -, những ứng suất này yêu cầu mật độ chèn cao nhất, thành dày nhất và giá trị khe hở thận trọng nhất. Việc cố gắng vẽ sâu ở bản in đầu tiên hầu như luôn kết thúc bằng việc khuôn bị gãy.

Các thông số thiết kế này xác định những gì khuôn có thể tồn tại về mặt cấu trúc. Nhưng nửa còn lại của phương trình là những gì đang được hình thành - hợp kim kim loại cụ thể, nhiệt độ và độ dày đẩy ngược lại công cụ sẽ xác định xem hình học của bạn giữ nguyên hay thất bại.

Kim loại tương thích và giới hạn độ dày

Vật liệu khuôn của bạn đặt ra giới hạn về lực tạo hình. Nhưng tấm kim loại đẩy lùi vào khuôn đó mới là yếu tố thực sự quyết định liệu hoạt động thành công hay thất bại. Không phải mọi hợp kim đều hoạt động tốt với dụng cụ polyme và thậm chí cả kim loại hợp tác cũng trở thành vấn đề khi độ dày vượt quá ngưỡng nhất định. Hiểu được kim loại nào bạn có thể đóng dấu bằng khuôn in - và vị trí của giới hạn cứng - giúp ngăn ngừa lãng phí bản in và các công cụ bị nứt.

Hợp kim và nhiệt độ phù hợp với khuôn in

Các kim loại mềm, dẻo cần ít lực hơn để tạo hình, điều này trực tiếp mở rộng phạm vi sử dụng của dụng cụ in. Các ứng cử viên tốt nhất có chung một đặc điểm: cường độ chảy thấp kết hợp với độ giãn dài cao trước khi đứt.

• Hợp kim nhôm (1100, 3003, 5052, 6061-O):Điểm khởi đầu lý tưởng cho việc tạo hình nhôm bằng khuôn dập in. Ví dụ, hợp kim 5052-O có cường độ chảy khoảng 90 MPa và độ giãn dài trên 25%, khiến nó có tính hợp tác cao với khuôn polyme ở dạng thước mỏng.
• Đồng thau (C260, C270):Đồng thau trong điều kiện ủ có khả năng tạo hình tuyệt vời với cường độ chảy gần 100-120 MPa. Khuôn cứng hơn một chút so với nhôm do độ cứng cao hơn, nhưng vẫn phù hợp với khả năng polyme đối với vật liệu mỏng.
• Đồng (C110, C101):Các dạng đồng mềm chết có lực rất thấp và dễ dàng phù hợp với hình dạng khuôn. Tuyệt vời cho dụng cụ in ở tất cả các độ dày phổ biến lên đến giới hạn nén của khuôn.
• Thép nhẹ (1008, 1010, 1018):Được ủ thép carbon thấp-có cường độ chảy khoảng 200-250 MPa. Có thể sử dụng được với khuôn in gia cố có kích thước mỏng nhưng lực tăng nhanh theo độ dày.
• Thép không gỉ (304, 316):Các loại austenit được ủ có thể định hình được nhưng đòi hỏi lực lớn hơn đáng kể so với thép nhẹ. Nói chung, giới hạn trên đối với khuôn polyme, được giới hạn ở vật liệu rất mỏng với vật liệu khuôn có độ bền-cao như nylon sợi carbon-hoặc nhựa cứng.

Điều kiện nhiệt độ cũng quan trọng như việc lựa chọn hợp kim.Ủ phục hồi độ dẻo bằng cách kết tinh lại cấu trúc hạt, làm giảm cường độ chảy và tăng độ giãn dài - cả hai thuộc tính làm giảm lực tạo hình mà khuôn của bạn cần xử lý. Tấm nhôm 5052 cứng một nửa-cần lực uốn gấp khoảng hai lần so với cùng loại hợp kim ở điều kiện được ủ hoàn toàn. Khi làm việc với dụng cụ in, luôn chỉ định nhiệt độ mềm đã ủ hoặc đã chết trừ khi ứng dụng yêu cầu cụ thể điều kiện cứng hơn ở phần cuối cùng.

Mối quan hệ này rất đơn giản: kim loại mềm hơn có nghĩa là ứng suất khuôn ít hơn, tuổi thọ khuôn dài hơn và khả năng tương thích tốt hơn với dụng cụ polyme. Nếu thiết kế của bạn cho phép xử lý nhiệt sau tạo hình hoặc làm cứng sản phẩm, hãy bắt đầu với nguyên liệu đã ủ và tăng cường độ bền sau đó thay vì cố gắng rèn luyện độ cứng cao hơn trong bước tạo hình.

Giới hạn độ dày theo vật liệu khuôn

Giới hạn độ dày kim loại tấm cho khuôn in 3D phụ thuộc vào sự tương tác giữa cường độ nén của khuôn và lực tạo hình do kim loại nhất định tạo ra ở độ dày nhất định. Vật liệu dày hơn nhân lực yêu cầu theo cấp số nhân -, độ dày tấm tăng gấp đôi gần gấp bốn lần lực uốn.

Các giá trị này giả định các đoạn uốn cong chữ V đơn giản với khoảng trống được thiết kế phù hợp và chiều dài uốn cong vừa phải. Các đường vẽ, dạng ghép và các đường uốn dài đẩy lực lên cao hơn, đồng nghĩa với việc giảm độ dày tối đa cho phép tương ứng. Một nghiên cứu thí điểm sử dụngKhuôn thép Maraging in 3D để dập nóngđã chứng minh việc tạo hình thành công thép boron phủ 1,7 mm trong hơn 800 chu kỳ - xác nhận rằng khuôn thiêu kết-kim loại xử lý các đồng hồ đo nặng hơn và hợp kim cứng hơn với độ bền-ở cấp độ sản xuất.

Chuyển hoàn thiện bề mặt từ khuôn sang bộ phận

Đây là một chi tiết mà hầu hết các hướng dẫn sử dụng dụng cụ đều bỏ qua hoàn toàn: lớp hoàn thiện bề mặt từ dụng cụ in 3D chuyển trực tiếp lên tấm kim loại đã định hình. Mỗi đường lớp, mỗi tạo tác bậc thang-và mọi khuyết điểm trên bề mặt trên mặt khuôn đều in vào phôi dưới lực ép. Trên các kim loại mềm như nhôm hoặc đồng đã ủ, hiệu ứng này đặc biệt rõ rệt vì vật liệu này bám chặt vào bề mặt khuôn trong quá trình tạo hình.

Mức độ nghiêm trọng phụ thuộc vào công nghệ in:

• FDM chếtđể lại dấu vết rõ ràng nhất. Chiều cao lớp 0,1-0,3 mm tạo ra các đường vân hằn rõ trên nhôm mỏng. Mẫu này có tính định hướng và có thể lặp lại - bạn sẽ thấy các đường song song trên bộ phận được tạo hình ở bất kỳ nơi nào nó tiếp xúc với mặt khuôn.
• SLA chếttạo ra các bề mặt sạch nhất trong số các lựa chọn polyme. Chiều cao lớp 0,025-0,05 mm để lại kết cấu có thể nhìn thấy tối thiểu trên các bộ phận được tạo hình, thường có thể chấp nhận được mà không cần xử lý thêm.
• SLS chếtchuyển một kết cấu dạng hạt, hơi mờ từ bề mặt -được thiêu kết bằng bột. Ít định hướng hơn so với đường FDM nhưng vẫn nhìn thấy được trên kim loại phản chiếu.

Các chiến lược để giảm thiểu sự chuyển dịch bề mặt:

• Cát các mặt tạo hìnhvới các hạt mịn dần dần (220 đến 600) để loại bỏ các đường phân lớp trước khi sử dụng. Đây là cách can thiệp đơn giản và hiệu quả nhất đối với khuôn FDM.
• Phủ một lớp sơn epoxy hoặc lớp phủ mỏnglên bề mặt khuôn và cát mịn. Điều này lấp đầy những khoảng trống vi mô-giữa các lớp và tạo ra một bề mặt hình thành liên tục.
• Định hướng bản indo đó các đường lớp chạy song song với hướng của dòng vật liệu trong quá trình tạo hình. Các đường song song ít gây gián đoạn thị giác hơn so với các đường gờ vuông góc và giảm nguy cơ bị đánh dấu.
• Sử dụng miếng chêm hy sinh- một tấm mỏng polyetylen hoặc PTFE mịn giữa khuôn và phôi. Điều này giúp tăng cường sự tuân thủ nhưng loại bỏ việc chuyển kết cấu trực tiếp lên các bộ phận thẩm mỹ.

Đối với những bộ phận mà chất lượng bề mặt quan trọng, hãy lập kế hoạch hoàn thiện sau{0}}tạo hình hoặc đầu tư vào khuôn in SLA-có bề mặt tạo hình được chà nhám. Đối với các bộ phận cấu trúc bị ẩn khỏi tầm nhìn, kết cấu từ khuôn FDM chưa hoàn thiện thường có thể chấp nhận được.

Biết khuôn của bạn có thể tạo thành kim loại nào và bạn có thể đẩy chúng dày đến mức nào sẽ thiết lập nên phạm vi hoạt động. Câu hỏi tiếp theo mang tính định lượng hơn: chính xác thì một thao tác tạo hình nhất định sẽ tạo ra bao nhiêu lực và khuôn của bạn có thể tồn tại được không?

Tính toán lực và giới hạn trọng tải ép

Bạn biết bạn đang tạo hình kim loại nào và độ dày của nó. Bạn đã chọn vật liệu khuôn có cường độ nén đã biết. Bước quan trọng giữa hai điểm dữ liệu đó là định lượng chính xác lực mà hoạt động tạo hình tạo ra - là bao nhiêu và liệu khuôn in của bạn có thể hấp thụ lực đó mà không bị lỗi nghiêm trọng hay không. Đây là cách tính toán lực tạo hình cho khuôn in 3D mà hầu hết các hướng dẫn không bao giờ đề cập đến.

Ước tính lực tạo hình cho tấm kim loại

Công thức trọng tải uốn không khí tiêu chuẩn-,được sử dụng rộng rãi trong hoạt động phanh ép, cung cấp một điểm khởi đầu đáng tin cậy:

Trọng tải tạo hình={[575 x (Độ dày vật liệu²)] / Khuôn-chiều rộng mở / 12} x Chiều dài uốn x Hệ số vật liệu

Độ dày vật liệu, chiều rộng-mở khuôn và chiều dài uốn cong đều tính bằng inch. Hằng số 575 được hiệu chỉnh theo thép cán nguội AISI 1035-ở độ bền kéo 60.000 PSI. Để điều chỉnh điều này cho các kim loại khác, bạn áp dụng hệ số vật liệu - tỷ lệ độ bền kéo của kim loại tấm với đường cơ sở 60.000 PSI đó. Một số yếu tố chung:

• Nhôm mềm chết (dòng H{0}}): 0.5
• Nhôm T-6: 1.0 - 1.2
• Thép nhẹ (AISI 1035): 1.0
• Thép không gỉ 304 (độ bền kéo 84.000 PSI): 1.4
• Đồng thau (ủ, độ bền ~45.000 PSI): 0.75

Hãy tưởng tượng bạn đang uốn nhôm đã ủ 1,0 mm (0,040 in.) trên lỗ khuôn 6 mm (0,25 in.) với chiều dài uốn 100 mm (4 in.). Cắm các giá trị đó vào: {[575 x (0,040²)] / 0,25 / 12} x 4 x 0.5=khoảng 0,06 tấn, hay lực khoảng 540 N. Điều đó nằm trong khả năng của hầu hết các khuôn nylon hoặc polycarbonate.

Mối quan hệ rất quan trọng để nội tâm hóa: lực hình thành tăng theoquảng trườngvề độ dày vật liệu. Nhân đôi độ dày của tấm và bạn tăng gấp bốn lần lực cần thiết. Tỷ lệ theo cấp số nhân này là lý do tại sao giới hạn độ dày trong phần trước tồn tại - khuôn in chạm trần nén nhanh khi thước đo tăng lên.

Nhấn giới hạn trọng tải cho dụng cụ in

Một khuôn in có thể chịu được lực bao nhiêu? Câu trả lời nằm ở việc so sánh lực tạo hình được tính toán với cường độ nén của khuôn phân bổ trên diện tích tiếp xúc của nó.

Đây là khung khái niệm: nếu mặt khuôn của bạn có diện tích tiếp xúc là 500 mm²và vật liệu khuôn có cường độ chảy nén là 100 MPa, tải trọng tối đa theo lý thuyết trước khi biến dạng vĩnh viễn là 50.000 N (khoảng 5 tấn). Giới hạn trọng tải máy ép đối với dụng cụ bằng nhựa chỉ đơn giản là diện tích tiếp xúc của khuôn nhân với cường độ chịu nén của nó, sau đó giảm đi một giới hạn an toàn.

Các biến số chính mà kỹ sư nên tính đến khi xác định liệu khuôn in có tồn tại sau một hoạt động nhất định hay không:

• Độ bền kéo của tấm kim loại- trực tiếp xác định lực tạo hình thông qua yếu tố vật chất
• Độ dày tấm (bình phương)- biến trội trong phương trình lực
• Chiều dài uốn cong- chỗ uốn cong dài hơn tạo ra tổng lực tương ứng cao hơn
• Chiều rộng mở khuôn-- lỗ mở hẹp hơn tập trung lực và tăng yêu cầu về trọng tải
• Khu vực tiếp xúc khuôn- bề mặt tiếp xúc lớn hơn sẽ phân bổ lực lên nhiều vật liệu hơn, giảm ứng suất cục bộ
• Cường độ năng suất nén của vật liệu khuôn- ứng suất tối đa mà khuôn có thể chịu được mà không bị biến dạng vĩnh viễn
• Hệ số an toàn- mức giảm giá bắt buộc được áp dụng để tính đến sự biến đổi của vật liệu và các chế độ hư hỏng đột ngột

Giới hạn an toàn cho khuôn dập được sản xuất bằng phụ gia cần được đặc biệt chú trọng. Khuôn thép chịu tải vượt quá khả năng sẽ biến dạng dần dần - chúng mọc lên như nấm, chúng chảy xệ rõ rệt, chúng đưa ra cảnh báo. Khuôn in polymer thì không. Chúng bị gãy đột ngột và không bị biến dạng trước đó, đặc biệt là nhựa cứng và vật liệu chứa đầy thủy tinh. Chế độ hỏng giòn này có nghĩa là bạn không thể dựa vào kiểm tra trực quan để phát hiện khuôn quá tải đang tiến đến giới hạn của nó.

Đối với khuôn polyme, hãy áp dụng hệ số an toàn tối thiểu là 3x - nghĩa là lực tạo hình được tính toán của bạn không được vượt quá một-khả năng nén lý thuyết của khuôn. Đối với các loại nhựa cứng, bị hỏng mà không có cảnh báo, hệ số an toàn 4x sẽ phù hợp hơn. Chỉ nylon và polycarbonate cứng, có biểu hiện biến dạng dẻo trước khi gãy, mới có thể biện minh cho việc gia công gần hơn với biên độ 2,5 lần.

Kiểm tra thực tế: tính toán lực tạo hình của bạn bằng công thức trên, chia khả năng nén của khuôn (cường độ chảy x diện tích tiếp xúc) cho lực đó và xác nhận tỷ lệ kết quả đáp ứng ngưỡng an toàn của bạn. Nếu không, bạn có ba tùy chọn - tăng diện tích tiếp xúc khuôn, chuyển sang vật liệu khuôn mạnh hơn hoặc giảm độ dày tấm. Chạy khuôn in gần giới hạn tính toán không phải là biện pháp tiết kiệm chi phí. Đó là con đường dẫn đến hỏng dụng cụ đột ngột, hư hỏng phôi và có khả năng gây hư hỏng máy ép.

Những tính toán lực này cho bạn biết liệu một cú đánh hình thành có thể sống sót được hay không. Nhưng tính kinh tế của dụng cụ phụ thuộc vào nhiều hơn một lần - tuổi thọ khuôn, chi phí lặp lại và-khối lượng hòa vốn so với công cụ gia công thông thường để xác định xem khuôn in có thực sự tiết kiệm tiền trong toàn bộ vòng đời của dự án hay không.

Chi phí-Khung lợi ích và Phân tích hòa vốn{1}}

Một khuôn in có giá 40 đô la nghe có vẻ như là một chiến thắng rõ ràng trước một công cụ gia công trị giá 2.000 đô la. Nhưng sự so sánh đó bỏ qua những yếu tố thực sự thúc đẩy chi phí dự án: mỗi khuôn tạo ra bao nhiêu bộ phận trước khi hỏng, bạn thực hiện bao nhiêu lần lặp lại thiết kế và ở khối lượng nào thì công cụ rẻ hơn không còn rẻ hơn nữa. So sánh chi phí khuôn in 3D thực tế và so sánh công cụ gia công bằng máy CNC yêu cầu một thấu kính Tổng chi phí sở hữu - tính đến tính kinh tế của công cụ, sự lặp lại và tính kinh tế của mỗi bộ phận trong-bộ phận trong toàn bộ quá trình phát triển.

Chi phí cho mỗi bộ phận trong suốt tuổi thọ của khuôn

Tuổi thọ của khuôn in của các bộ phận thay đổi đáng kể tùy theo vật liệu và mức độ hình thành. Một khuôn nylon-được thiết kế tốt thực hiện các cú uốn đơn giản bằng nhôm mỏng có thể tồn tại sau 200 đến 500 chu kỳ. Khuôn nhựa cứng dưới tải vừa phải có thể bị nứt sau 50 đến 150 chi tiết. PLA? Thường có một chữ số trước khi xuống cấp rõ ràng.

Tuổi thọ này trực tiếp xác định chi phí cho mỗi bộ phận với khuôn in 3D. Một khuôn nylon trị giá 40 USD sản xuất 200 bộ phận tốt có giá 0,20 USD cho mỗi bộ phận dụng cụ. Một khuôn thép gia công CNC- trị giá 2.000 USD sản xuất 100.000 bộ phận có giá 0,02 USD mỗi bộ phận. Theo mệnh giá, thép thắng - nhưng chỉ khi bạn thực sự cần 100.000 bộ phận và thiết kế không bao giờ thay đổi.

Phương trình chi phí thực tế, vay mượnTổng chi phí sở hữu khungđược sử dụng trong các quy trình sản xuất, trông như thế này:

Tổng chi phí công cụ dự án=(Chi phí mỗi khuôn x Số lần lặp) + (Bản in không thành công x Chi phí vật liệu) + Nhân công xử lý sau-

Mỗi lần sửa đổi thiết kế đều có nghĩa là một khuôn mới. Với công cụ in, bản sửa đổi đó có giá 40 USD và 4 giờ. Với công cụ gia công, nó có giá 2.000 USD và từ 2 đến 4 tuần. Nếu dự án của bạn trải qua sáu lần lặp lại trước khi hoàn thiện hình dạng bộ phận - một tình huống phổ biến trong phát triển sản phẩm mới - thì đường chạy dao được in có giá khoảng 240 USD cho khuôn. Đường dẫn được gia công có giá 12.000 USD, giả sử bạn bận tâm{12}}cắt lại nhiều lần thay vì đoán và hy vọng.

Phân tích hòa bình-so với công cụ truyền thống

Khối lượng hòa vốn cho khuôn dập được in nằm ở điểm giao nhau trong đó chi phí gia công tích lũy trên mỗi bộ phận trên khuôn in bằng với chi phí phân bổ của khuôn được gia công. Dưới khối lượng đó, việc in ấn sẽ thắng. Ở trên nó, gia công tiếp quản.

Mô hình rất rõ ràng: khuôn in chiếm ưu thế trong giai đoạn tạo mẫu và xác nhận, trong đó thiết kế thay đổi thường xuyên và khối lượng sản xuất chưa được thực hiện. Dữ liệu ngành xác nhận việc in - 3D động này duy trì đường cong chi phí tương đối bằng phẳng phù hợp với số lượng thấp, trong khi các quy trình có mức đầu tư dụng cụ cao chỉ trở nên tiết kiệm khi NRE được trải rộng trên hàng nghìn đơn vị.

Số lần lặp là hệ số ẩn. Một dự án có hai lần sửa đổi thiết kế có thể hòa vốn ở mức 300 chi tiết trên máy công cụ. Cùng một dự án với tám bản sửa đổi - không có gì bất thường trong quá trình-phát triển sản phẩm ở giai đoạn đầu - có thể không hòa vốn cho đến khi có 2.000 bộ phận vì mỗi bản sửa đổi khuôn được gia công sẽ làm tăng thêm hàng nghìn chi phí chìm. Khuôn in hầu như không có tác dụng gì đối với sự mất ổn định của thiết kế.

Trường hợp lợi thế kinh tế biến mất: một khi thiết kế của bạn bị đóng băng, khối lượng vượt quá 500 phần và tuổi thọ của khuôn quan trọng hơn tốc độ lặp lại. Vào thời điểm đó, khoảng cách về độ bền sẽ lấn át khoản tiết kiệm chi phí ban đầu và mỗi lần in lại sẽ tạo thêm ma sát mà một khuôn thép cứng sẽ loại bỏ hoàn toàn.

Phép toán hòa vốn này giả định khuôn in của bạn hoạt động độc lập. Trong thực tế, nhiều nhóm mở rộng phạm vi hữu ích của dụng cụ in bằng cách kết hợp nó với các phương pháp kết hợp vật liệu thông thường - giúp nâng cao tuổi thọ và khả năng của khuôn vượt xa những gì polyme nguyên chất có thể tự đạt được.

Phương pháp tiếp cận kết hợp và chiến lược xác nhận nhanh chóng

Khuôn polyme nguyên chất có trần. Khuôn thép gia công nguyên chất có giá sàn. Giữa hai thái cực đó là một loạt công cụ kết hợp để tạo nguyên mẫu kim loại tấm vay mượn từ cả hai thế giới - sử dụng hình học in làm nền tảng trong khi thêm các vật liệu thông thường vào chính xác những nơi cần thiết để xử lý tải trọng cao hơn, kéo dài tuổi thọ hoặc cải thiện chất lượng bề mặt.

Đây không phải là những kỹ thuật kỳ lạ. Chúng là những nâng cấp thực tế mà các nhóm áp dụng tăng dần khi yêu cầu tạo hình vượt xa những gì khuôn in độc lập có thể mang lại.

Gia cố khuôn in bằng vật liệu chèn kim loại

Điểm hư hỏng phổ biến nhất trên khuôn in là cạnh tạo hình - bán kính nhỏ nơi tấm kim loại uốn quanh dụng cụ. Vùng tiếp xúc tập trung này chịu ứng suất nén cực đại và mòn nhanh nhất. Gia cố khuôn in 3D bằng vật liệu chèn kim loại tại các vùng quan trọng này giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của dụng cụ mà không cần chế tạo lại toàn bộ khuôn bằng thép.

Cách tiếp cận rất đơn giản: thiết kế thân khuôn có các hốc lõm ở-các khu vực có độ mòn cao, sau đó nhấn-vừa khít hoặc liên kết các chốt, chốt hoặc miếng chèn gia công bằng thép cứng vào các hốc đó. Thân in xử lý hình học và căn chỉnh khối lượng lớn, trong khi phần chèn kim loại xử lý tiếp xúc tạo hình thực tế. Khuôn có thể tồn tại sau 100 chu kỳ vì nylon nguyên chất có thể đạt tới 1.{6}} chu kỳ với các cạnh chèn-bằng thép.

Các chiến lược chèn phổ biến bao gồm:

• Chốt chốt cứng ở bán kính uốn nơi tấm kim loại quấn quanh mép khuôn
• Các tấm thép mài phẳng được liên kết với bề mặt tạo hình để phân bổ tải trọng đồng đều
• Các phần chèn theo luồng được nhúng trong quá trình in (sử dụng kỹ thuật tạm dừng{0}}và-chèn) cho các tính năng gắn kết và căn chỉnh

Chiến lược hỗ trợ để kéo dài tuổi thọ khuôn

Khi hình dạng khuôn phức tạp nhưng nhu cầu về cấu trúc vượt quá mức mà-nhựa nhồi rắn có thể duy trì, việc lót lớp vỏ in bằng chất độn cứng sẽ biến một công cụ mỏng manh thành một công cụ chắc chắn. Vỏ khuôn in 3D được phủ bằng Epoxy đặc biệt hiệu quả - bạn in khuôn có thành mỏng-với các bề mặt tạo hình chính xác, sau đó lấp đầy khoang bên trong bằng nhựa epoxy-đầy nhôm hoặc urethane kết cấu.

Nghiên cứu vềcông cụ kết hợp nhanh chóng với các vật liệu nền khác nhaunhận thấy rằng lớp nền bằng nhôm mang lại sự cân bằng tốt nhất về chi phí, độ chính xác về kích thước và hiệu quả xử lý - nâng cao hiệu suất lên 68% so với công cụ không được hỗ trợ trong khi vẫn duy trì tốc độ sao chép trên 93%.

Đây là sự tiến triển của các chiến lược tăng cường kết hợp, được sắp xếp từ đơn giản nhất đến nâng cao nhất:

1. Bề mặt tạo cát và lớp phủ- Đổ đầy các đường kẻ bằng epoxy mỏng, cát mịn. Tăng độ bền bề mặt mà không thay đổi cấu trúc của thân khuôn.
2. Nhấn-vặn các miếng chèn kim loại vào các mép mòn- Chốt thép hoặc chốt nối đất ở bán kính uốn cong. Kéo dài tuổi thọ của cạnh gấp 5-10 lần với độ phức tạp trong thiết kế ở mức tối thiểu.
3. Epoxy-lấp đầy phần bên trong khuôn- In một lớp vỏ rỗng có hình dạng bên ngoài chính xác, sau đó đổ epoxy chứa đầy nhôm- vào bên trong. Epoxy cung cấp khả năng hỗ trợ nén trong khi lớp vỏ in duy trì độ chính xác về kích thước.
4. Khuôn in liên kết trên tấm nền kim loại được gia công- Sử dụng thành phần được in làm bề mặt tạo hình chính xác, được bắt vít hoặc liên kết với tấm thép hoặc nhôm để hấp thụ lực ép khối. Điều này tách biệt bài toán hình học (được xử lý bằng cách in) với bài toán về cấu trúc (được xử lý bằng kim loại).
5. Sử dụng khuôn in làm mẫu cho dụng cụ đúc urethane hoặc epoxy- In hình học chính xác, sau đó đúc khuôn-hỗn hợp urethane hoặc epoxy cấp sản xuất từ ​​bản gốc đó. Một mẫu in tạo ra nhiều khuôn đúc, mỗi khuôn kéo dài hàng trăm chu kỳ. Cách tiếp cận này có ý nghĩa khi bạn cần một số bộ khuôn giống hệt nhau hoặc khi bản thân vật liệu in không thể xử lý được môi trường tạo hình.

Mỗi bước nâng cao sẽ làm tăng thêm chi phí và thời gian nhưng cũng làm tăng khả năng của khuôn. Thông tin chi tiết quan trọng là bạn không cần phải chọn giữa in và thông thường - mà bạn kết hợp chúng tại giao diện nơi mỗi công nghệ hoạt động tốt nhất.

Xác thực các bộ phận trước khi đầu tư toàn bộ dụng cụ

Khuôn lai giải quyết vấn đề về độ bền của dụng cụ. Nhưng có một câu hỏi xác thực rộng hơn mà chỉ khuôn in không thể trả lời: liệu bộ phận được đóng dấu có thực sự hoạt động trong ứng dụng cuối cùng của nó không? Nguyên mẫu được tạo hình từ khuôn in xác nhận hình học và sự phù hợp cơ bản, tuy nhiên, nó có thể không nắm bắt được đặc tính vật liệu, đặc tính đàn hồi ngược hoặc chất lượng bề mặt của bộ phận được đóng dấu-trong quá trình sản xuất.

Đây là lúc quy trình phát triển được hưởng lợi từ việc xác thực các bộ phận được đóng dấu trước khi chế tạo công cụ sản xuất thông qua đường dẫn bổ sung. Thay vì chuyển trực tiếp từ khuôn mẫu-được in sang khuôn mẫu trị giá $10,000+ khuôn sản xuất cứng, các nhóm giàu kinh nghiệm sẽ chèn một giai đoạn tạo mẫu nhanh để tạo ra các bộ phận kim loại thực tế - thông qua gia công CNC hoặc chế tạo kim loại tấm chuyên nghiệp - để xác nhận khả năng sản xuất và hiệu suất chức năng.

Logic là hợp lý: khuôn in của bạn đã chứng minh hình học hoạt động. Một mẫu kim loại được tạo mẫu hoặc chế tạo bằng máy CNC- chứng minh bộ phận đó hoạt động trong điều kiện thực tế, với các đặc tính vật liệu-đại diện cho quá trình sản xuất và độ hoàn thiện bề mặt. Quá trình xác thực hai giai đoạn-này phát hiện các vấn đề về DFM (góc nháp, bán kính tối thiểu, phụ cấp lò xo-) trước khi bạn đầu tư vốn vào công cụ sản xuất.

Các nhóm sử dụng dịch vụ nhưNguyên mẫu nhanh của YICHENtiếp cận khoảng trống này bằng cách kết hợp gia công CNC và chế tạo kim loại tấm để tạo ra các mẫu kim loại chức năng có phản hồi DFM sớm. Kết quả là một thiết kế bộ phận đã được xác thực - đã được xác nhận cả về mặt hình học (thông qua khuôn in) và chức năng (thông qua các bộ phận kim loại được tạo mẫu) - trước khi bất kỳ khuôn sản xuất nào được cắt. Việc xác thực hai{4}}bước đó thường giúp tiết kiệm nhiều hơn chi phí tránh được việc sửa đổi công cụ so với chi phí trong các dịch vụ tạo nguyên mẫu.

Chiến lược kết hợp mở rộng những gì khuôn in có thể thực hiện được về mặt vật lý. Nhưng mọi cách tiếp cận vẫn có một ranh giới - điểm mà độ mỏi của vật liệu, yêu cầu về lực hoặc khối lượng vượt quá mức mà bất kỳ sự kết hợp nào giữa dụng cụ in và gia cố có thể duy trì một cách đáng tin cậy.

Những hạn chế và thời điểm cần vượt ra ngoài khuôn in

Mỗi phương pháp gia công đều có một đường bao lỗi. Khuôn in cũng không ngoại lệ và việc giả vờ khác sẽ làm suy yếu mọi thứ mà hướng dẫn này đã thiết lập. Các chế độ và giới hạn lỗi khuôn in 3D là có thật, có thể dự đoán được và sẽ tốn kém - nếu bị bỏ qua -. Biết chính xác vị trí của các công cụ này bị hỏng cho phép bạn sử dụng chúng một cách tự tin trong phạm vi khả năng của chúng và chuyển sang công cụ khó hơn vào đúng thời điểm thay vì quá muộn.

Khi in chết không thành công

Thất bại không phải lúc nào cũng giống như một vết nứt kịch tính ở giữa{0}}. Thông thường, sự xuống cấp dần dần sẽ tạo ra các bộ phận ngày càng không chính xác cho đến khi khuôn không thể sử dụng được. Dưới đây là các tình huống cụ thể khi công cụ in đạt đến giới hạn:

• Trọng tải trần vượt quá:Khuôn polyme không thể chịu được lực vượt quá cường độ chịu nén nhân với diện tích tiếp xúc, dù chỉ một lần. Một sự kiện quá tải đơn lẻ có thể gây ra hiện tượng gãy giòn ngay lập tức ở nhựa cứng hoặc gây ra sự nghiền nát vĩnh viễn ở nhựa nhiệt dẻo. Không thể phục hồi được - xúc xắc là phế liệu.
• Độ mỏi của khuôn in và độ rão khi chịu tải:Ngay cả ở những lực thấp hơn nhiều-giới hạn hành trình đơn lẻ, việc đạp xe lặp đi lặp lại sẽ gây ra hư hỏng tích lũy.Biến dạng leo trong polyme in 3Dxảy ra khi các chuỗi phân tử trượt qua nhau dưới áp lực kéo dài hoặc lặp đi lặp lại, dẫn đến sự thay đổi chiều vĩnh viễn theo thời gian. Nhựa FDM đặc biệt nhạy cảm vì nhiệt độ nóng chảy thấp hơn đồng nghĩa với việc nhiệt độ môi trường sẽ đẩy nhanh chuyển động phân tử này. Một khuôn có số đo hoàn hảo theo chu kỳ một có thể quá khổ 0,1-0,3 mm theo chu kỳ 200.
• Độ nhạy nhiệt độ:Nhiệt độ xưởng trên 30-35 độ C làm mềm PLA và nhựa tiêu chuẩn một cách đáng kể. Ma sát-tạo ra nhiệt trong quá trình đạp xe nhanh sẽ gây ra vấn đề. Một khuôn hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm kiểm soát khí hậu có thể bị hỏng trong gara mùa hè hoặc sàn nhà máy không có điều hòa.
• Giới hạn độ phức tạp hình học:Các nét vẽ sâu, các đường cong phức hợp có bán kính hẹp và các thao tác khuôn lũy tiến tạo ra các trạng thái ứng suất đa hướng khiến vật liệu in xử lý kém. Tải trọng kéo trên các liên kết lớp trong khuôn FDM hoặc nồng độ ứng suất tại các chi tiết mỏng trong khuôn nhựa, tạo ra các điểm hư hỏng không thể đoán trước mà không có lượng chất độn nào có thể bù đắp được.
• Suy thoái bề mặt:Tiếp xúc hình thành dần dần mài mòn và đánh bóng bề mặt khuôn, thay đổi kích thước khe hở và sự chuyển giao kết cấu bề mặt. Các vật liệu mềm như nylon mòn nhanh hơn nhựa cứng nhưng dễ hỏng hơn - sự cân bằng là sự xuống cấp chậm hơn so với vết nứt đột ngột.
• Sự trôi dạt chiều mà không có cảnh báo:Không giống như khuôn thép bị biến dạng rõ ràng trước khi hỏng, khuôn polyme có thể bị biến dạng về kích thước trong khi vẫn còn nguyên vẹn. Bạn sẽ không thấy vấn đề cho đến khi các bộ phận được hình thành bắt đầu không được kiểm tra. Sự rão của polyme xảy ra ngay cả ở nhiệt độ phòng do tính chất đàn hồi nhớt của chúng, trong đó tải trọng kéo dài khiến các chuỗi giãn ra và sắp xếp lại vĩnh viễn.

Ngưỡng âm lượng cho công cụ dập in 3D thường nằm trong khoảng từ 200 đến 500 phần đối với-khuôn nhựa nhiệt dẻo được thiết kế tốt và 50 đến 150 phần đối với khuôn nhựa dưới tải vừa phải. Đây không phải là những ranh giới cứng nhắc - chúng thay đổi theo sự lựa chọn vật liệu, mức độ nghiêm trọng của hình dạng và điều kiện môi trường. Nhưng chúng đại diện cho vùng mà sự hao mòn tích lũy, từ biến và lệch chiều làm cho mỗi bộ phận tiếp theo trở nên kém tin cậy hơn bộ phận trước.

Ngưỡng khối lượng và sự chuyển đổi sang công cụ sản xuất

Biết khi nào nên chuyển từ khuôn in sang khuôn gia công không phải là một điểm quyết định duy nhất. Đó là một quá trình diễn ra theo vòng cung tự nhiên của quá trình phát triển sản phẩm:

1. Khuôn in để xác nhận hình học (1-50 phần):Xác nhận rằng các góc uốn, độ sâu hình dạng và hình dạng tổng thể hoạt động như thiết kế. Chấp nhận sự không hoàn hảo trên bề mặt và phương sai kích thước như cái giá của tốc độ.
2. Các bộ phận kim loại được tạo nguyên mẫu nhanh-để kiểm tra chức năng (5-20 bộ phận):Sau khi hình học được xác thực thông qua khuôn-được in, hãy tạo ra các bộ phận kim loại thực tế thông qua gia công CNC hoặc chế tạo chuyên nghiệp để xác nhận hoạt động của vật liệu, lò xo-mặt sau và hiệu suất trong điều kiện sử dụng thực tế. Dịch vụ nhưNguyên mẫu nhanh của YICHENthu hẹp khoảng cách này bằng cách cung cấp các bộ phận kim loại được tạo mẫu và chế tạo bằng CNC-để xác nhận khả năng sản xuất - khắc phục các vấn đề về DFM trước khi bạn đầu tư vào công cụ cứng.
3. Dụng cụ sản xuất theo khối lượng (500+ phần):Khi hình học đã được xác thực và khả năng sản xuất được xác nhận, hãy đầu tư vào khuôn thép gia công-CNC với sự tự tin rằng không cần phải chờ đợi chu kỳ sửa đổi tốn kém.

Cách tiếp cận theo giai đoạn này giảm thiểu tổng rủi ro của dự án. Khuôn in hấp thụ sự không ổn định trong thiết kế của quá trình phát triển ban đầu. Các bộ phận kim loại được tạo mẫu nhanh-xác nhận rằng thiết kế cuối cùng thực sự có thể sản xuất được trên quy mô lớn. Khuôn sản xuất chỉ được cắt một lần đối với thiết kế đông lạnh.

Trước khi thực hiện bất kỳ phương pháp nào, hãy xem qua danh sách kiểm tra đánh giá này cho ứng dụng cụ thể của bạn:

• Lực tạo hình của bạn có thấp hơn một-một phần ba khả năng nén của vật liệu khuôn không? Nếu không, dụng cụ in có kích thước nhỏ.
• Bạn có cần hơn 500 bộ phận giống hệt nhau không? Nếu vậy, kinh tế học ủng hộ khuôn được gia công bất kể khả năng của khuôn in.
• Bộ phận được tạo hình có yêu cầu chất lượng hoàn thiện bề mặt dưới Ra 1.6 không? Khuôn in mà không được hoàn thiện kỹ lưỡng sẽ không mang lại điều này.
• Khuôn có hoạt động ở nhiệt độ trên 35 độ C không? Yếu tố làm mềm vật liệu và tăng tốc độ rão.
• Hình học có liên quan đến các hình vẽ sâu hoặc các dạng phức hợp có ứng suất kéo trên mặt khuôn không? Những điều này đẩy các tài liệu in vào tình trạng thất bại khó lường.
• Bạn có thể chấp nhận sự thay đổi chiều từ +/- 0.2 đến 0,5 mm trong quá trình sản xuất không? Nếu cần có sự nhất quán chặt chẽ hơn, dụng cụ bằng thép là câu trả lời.

Khuôn dập in 3D không thể thay thế cho dụng cụ thông thường. Chúng là một công cụ tăng tốc-giai đoạn phát triển giúp rút ngắn thời gian thực hiện hàng tuần và hàng nghìn đô la thành số giờ và bỏ túi - trong phạm vi khả năng xác định. Hãy sử dụng chúng ở những nơi chúng xuất sắc, chuyển đổi khi chúng không hoạt động tốt và bạn sẽ tiếp cận công cụ sản xuất nhanh hơn, rẻ hơn và ít bất ngờ hơn so với những nhóm bỏ qua hoàn toàn các bước xác thực.

Câu hỏi thường gặp về khuôn dập in 3D

1. Khuôn dập in 3D có thể tạo ra bao nhiêu bộ phận trước khi bị hỏng?

Tuổi thọ của khuôn phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu in và mức độ hình thành. Các khuôn nylon hoặc polycarbonate được thiết kế tốt-có thể uốn cong đơn giản bằng nhôm mỏng thường tồn tại sau 200 đến 500 chu kỳ. Nhựa cứng dưới tải vừa phải kéo dài khoảng 50 đến 150 bộ phận. Các khuôn PLA thường xuống cấp khi sử dụng một-chữ số. Các phương pháp kết hợp, chẳng hạn như thêm các hạt chèn bằng thép ở bán kính uốn cong hoặc lấp đầy epoxy{10}}bên trong khuôn, có thể kéo dài tuổi thọ lên 1,000+ chu kỳ bằng cách gia cố các vùng tiếp xúc có độ mòn-cao trong khi vẫn giữ được thân in cho hình dạng khối.

2. Bạn có thể dập những kim loại nào bằng khuôn in 3D?

Các kim loại mềm, dẻo ở trạng thái ủ hoạt động tốt nhất với khuôn polyme. Hợp kim nhôm được ủ (1100, 3003, 5052, 6061-O) là những ứng cử viên lý tưởng, tiếp theo là đồng thau được ủ, đồng mềm chết và thép nhẹ có kích thước-mỏng. Thép không gỉ nói chung là giới hạn trên, được giới hạn ở phôi rất mỏng (dưới 0,6 mm) với vật liệu khuôn có độ bền-cao như nylon{11}sợi carbon. Luôn chỉ định nhiệt độ mềm đã ủ hoặc đã chết khi đặt hàng kim loại tấm cho khuôn in, vì nhiệt độ cứng hơn có thể tăng gấp đôi lực uốn cần thiết.

3. Khuôn dập in 3D có rẻ hơn khuôn gia công CNC không?

Đối với việc tạo mẫu và khối lượng dưới 500 bộ phận, khuôn in có chi phí thấp hơn đáng kể. Một khuôn nylon đơn có giá từ 15 đến 50 USD so với 1.500 đến 10.000 USD đối với thép gia công CNC-. Lợi thế về chi phí tăng lên sau mỗi lần lặp lại thiết kế, vì việc in lại khuôn đã sửa đổi có chi phí thay đổi so với việc gia công lại. Tuy nhiên, điều kiện kinh tế đảo ngược ở mức trên 500 đến 1.000 bộ phận vì thép gia công có 50.000 đến 500,{18}} chu kỳ cuối cùng, dẫn đến chi phí gia công cho mỗi bộ phận xuống dưới 0,10 USD. Các nhóm như dịch vụ tạo mẫu nhanh của YICHEN giúp thu hẹp khoảng cách này bằng cách xác thực khả năng sản xuất bộ phận thông qua các mẫu kim loại nguyên mẫu CNC{21}}trước khi bắt tay vào sản xuất khuôn đắt tiền.

4. Vật liệu in 3D nào tốt nhất để dập khuôn?

Nylon được gia cố bằng sợi carbon-sợi-cung cấp hiệu suất tổng thể mạnh nhất cho hầu hết các ứng dụng khuôn dập. Nó kết hợp cường độ nén khoảng 100 đến 130 MPa với độ ổn định kích thước tuyệt vời, độ giãn nở nhiệt thấp và khả năng chống leo dưới tải trọng lặp đi lặp lại. Đối với việc tạo nguyên mẫu với ngân sách vừa phải, nylon tiêu chuẩn (PA6 hoặc PA12) mang lại sự cân bằng tốt giữa độ bền và chi phí. Nhựa kỹ thuật cứng từ máy in SLA mang lại bề mặt hoàn thiện vượt trội và tính đẳng hướng nhưng bị hỏng đột ngột mà không có cảnh báo khi quá tải. Lựa chọn vật liệu phải phù hợp với yêu cầu về lực tạo hình, số chu kỳ và chất lượng bề mặt cụ thể của bạn.

5. Làm thế nào để bạn tính toán xem khuôn in 3D có thể xử lý một nguyên công tạo hình cụ thể hay không?

Tính toán lực tạo hình cần thiết bằng cách sử dụng công thức trọng tải uốn không khí-, tính theo bình phương độ dày tấm, chiều dài uốn, chiều rộng khuôn-mở và hệ số nhân vật liệu dựa trên độ bền kéo của hợp kim. Sau đó so sánh lực đó với khả năng nén của khuôn (cường độ chảy nhân với diện tích tiếp xúc). Áp dụng hệ số an toàn tối thiểu là 3x đối với nhựa nhiệt dẻo và 4x đối với nhựa cứng, vì khuôn polyme bị gãy đột ngột mà không báo trước, không giống như khuôn thép biến dạng dần dần. Nếu tỷ lệ an toàn giảm xuống dưới ngưỡng, hãy tăng diện tích tiếp xúc khuôn, chuyển sang vật liệu mạnh hơn hoặc giảm độ dày tấm.