Wie 3D-gedruckte Werkzeuge die Zukunft des Prototypings gestalten können

Wenn wir über die Rolle des 3D-Drucks in der Fertigungswelt sprechen, denken wir oft darüber nach, wie die additive Fertigung traditionelle Techniken letztendlich ersetzen könnte. Tatsächlich vermarkten viele Entwickler von AM-Hardware ihre Maschinen effektiv als direkten Ersatz für Dinge wie CNC-Maschinen oder Spritzgusssysteme.

Aber der 3D-Druck kann auch zur Ergänzung bestehender Technologien wie CNC-Bearbeitung, Spritzguss, Blechbearbeitung, Extrusion und Gießen eingesetzt werden.

Das liegt daran, dass AM-Systeme – entweder industrielle Metalltechnologien wie DMLS oder Kunststofftechnologien wie FDM oder SLS – verwendet werden können, um 3D-gedruckte Werkzeuge für diese Prozesse zu erstellen, wodurch die Produktion beschleunigt und/oder verbessert wird, um bessere Ergebnisse zu erzielen.

Dieser Artikel befasst sich damit, wie 3D-gedruckte Werkzeuge die Zukunft des Prototyping und der Kleinserienfertigung prägen. Es werden verschiedene Arten von 3D-gedruckten Werkzeugen erörtert, warum 3D-gedruckte Werkzeuge nützlich sind und welche Materialien verfügbar sind.

Arten von 3D-gedruckten Werkzeugen

Werkzeugbau ist ein Oberbegriff, der verwendet wird, um verschiedene Befestigungs-, Stütz- oder Formgebungsmechanismen zu beschreiben, die in der Fertigung verwendet werden. Das Werkzeug für ein Teil kann aus einer oder mehreren Komponenten bestehen und wird normalerweise aus einem robusten Material wie Werkzeugstahl hergestellt.

3D-Druck kann verwendet werden, um verschiedene Arten von Werkzeugen herzustellen. Einige Komponenten sind jedoch einfacher herzustellen als andere, und einige können nur mit High-End-AM-Geräten hergestellt werden.

1. Formen

Eine Form ist eine Art hohler Behälter, der mit einem Material gefüllt wird, um Teile herzustellen. Der Formenbau erfolgt in der Regel durch maschinelle Bearbeitung, aber der 3D-Druck – in Verbindung mit temperaturbeständigen Materialien – wird für bestimmte Teile zu einer praktikablen Option.

Gedruckte Formen erfordern möglicherweise umfangreiches Oberflächenschleifen oder andere Oberflächenbehandlungen, bevor sie einsatzbereit sind, aber die Geschwindigkeit, mit der sie hergestellt werden können, wird zu einem großen Segen für Prototyping-Unternehmen.

Laut dem deutschen AM-Unternehmen EOS „bedeutet die Fähigkeit, selbst komplexeste Strukturen in hoher Qualität und mit kurzen Produktionszeiten herzustellen, dass der 3D-Druck … klare Vorteile für den Formenbau bietet.“

2. Vorrichtungen

Eine Spannvorrichtung ist eine speziell angefertigte Werkstückhaltevorrichtung, die verwendet wird, um die Konsistenz von Teilen während der Fertigung zu verbessern. Es wird normalerweise verwendet, um die Bewegung eines Schneidwerkzeugs zu führen und zu steuern.

3D-Drucker werden immer nützlicher für die Herstellung von kundenspezifischen Artikeln wie Vorrichtungen und Vorrichtungen, da der Prozess für einmalige Teile kostengünstig ist.

Hersteller von 3D-Druckvorrichtungen und Vorrichtungen können auch die Vorlaufzeiten drastisch verkürzen – insbesondere, wenn der Druck im eigenen Haus erfolgt.

3. Befestigungen

Eine Spannvorrichtung ist eine speziell angefertigte Werkstückhaltevorrichtung, die verwendet wird, um ein Werkstück während der Fertigung, typischerweise der Bearbeitung, zu sichern. Im Gegensatz zu Vorrichtungen sind Werkstücke normalerweise einzigartig für die hergestellten Teile und nicht für die Fertigungsausrüstung.

Vorrichtungen und Vorrichtungen können in Metall oder in technischen Kunststoffen wie TPU oder kohlefaserverstärktem Nylon 3D-gedruckt werden.

4. Extrusionsdüsen

Matrizen sind dicke Stahlplatten mit geformten Öffnungen. Beim Extrusionsprozess wird ein Material durch die Düsenöffnung gedrückt, wodurch ein langes Teil mit einem Querschnitt entsteht, der der Öffnung der Düse entspricht.

Wie Formen werden Matrizen in der Regel aus temperaturbeständigen Materialien wie Stahl hergestellt, die mit Prozessen wie DMLS und SLM immer einfacher zu drucken sind.

Vorteile von 3D-gedruckten Werkzeugen

Konforme Kühlkanäle

Bei Prozessen wie dem Spritzgießen werden Kühlkanäle verwendet, um Kühlmittel um ein geschmolzenes Material herum zu injizieren, damit es gleichmäßig abkühlt und aushärtet. Dadurch werden Verzug und Verformungen im Formteil vermieden.

In gewöhnlichen Formen sind Kanäle aufgrund der Schwierigkeit, komplexere Formen zu bearbeiten, normalerweise gerade Linien. Der 3D-Druck ermöglicht jedoch die Erstellung konformer Kühlkanäle:Kanäle, die den Konturen des Teils folgen, sodass jeder Bereich des Teils gleichermaßen vom Kühlmittel beeinflusst wird.

Laut dem Metall-AM-Spezialisten Desktop Metal „sind Teile mit komplexen Designs und internen Strukturen – wie etwa konforme Kühlkanäle für kundenspezifische Formen – ideal für die additive Fertigung geeignet, bei der die Fertigungszeit und die Kosten pro Teil nicht unbedingt von der Komplexität des Designs abhängen.“

Schnelle Fertigung

Der 3D-Druck ist ein schneller Prozess mit minimaler Einrichtungs- oder Vorbereitungszeit. Dies ermöglicht die schnelle Herstellung von Werkzeugen – und die sofortige Umrüstung, wenn ein Werkzeug kaputt geht oder geändert werden muss.

Obwohl 3D-gedruckte Werkzeuge noch in den Kinderschuhen stecken und von den meisten Herstellern (oder Kunden) nicht bevorzugt werden, werden sie bereits für das Rapid Prototyping wichtig, bei dem Überlegungen zur Vorlaufzeit Vorrang vor anderen Faktoren haben.

3D-gedruckte Werkzeuge werden einen großen Einfluss auf die Zukunft des Prototyping haben, einfach weil sie herkömmliche Prototyping-Prozesse nachweislich beschleunigen.

Erschwinglich und effizient

Werkzeuge können sehr teuer sein, insbesondere wenn mehrere Komponenten benötigt werden oder das Design besonders kompliziert ist. Der 3D-Druck kann die Werkzeugkosten senken, da ein komplexes und kompliziertes Design fast so schnell hergestellt werden kann wie ein einfaches.

AM ist auch in Bezug auf den Materialverbrauch effizient, da kein Abfallmaterial von einem Werkstück weggeschnitten werden muss.

Letztendlich wird jede Problemumgehung, die die Kosten in der Prototyping-Phase drastisch senkt, letztendlich eine immer größere Rolle im Prototyping-Prozess spielen.

Der 3D-Druckerhersteller Markforged sagt, dass er „sieht, dass Hersteller in der Lage sind, zwischen 10 und 50 % ihrer langlebigen Werkzeuge, die in ihrem Prozess verwendet werden, in 3D zu drucken“, was „einen erheblichen Wert darstellt, wenn man berücksichtigt, dass die durchschnittlichen Kosteneinsparungen eines 3D-gedruckten Teils gegenüber a bearbeitete Teil beträgt 80 %.“

Kann für verschiedene Prozesse verwendet werden

3D-gedruckte Werkzeuge können für mehrere einzigartige Herstellungsprozesse verwendet werden, darunter:

• Druckguss
• Spritzguss
• Extrusion
• CNC-Bearbeitung
• Blechverarbeitung

Beste AM-Werkzeugmaterialien

Werkzeugstahl

Werkzeugstahl ist ein harter Stahl, der für anspruchsvolle Fertigungsanwendungen geeignet ist. Aufgrund seiner Härte dauert es lange, ihn genau zu bearbeiten.

Einige Metall-3D-Drucktechnologien können das Material jedoch drucken, was Möglichkeiten für den 3D-Druck von Gegenständen wie Spritzgussformen schafft. Das industrielle AM-Unternehmen EOS stellt eine Reihe von 3D-druckbaren Werkzeugstahlpulvern her, darunter Maraging-Stahl und Werkzeugstahl 1.2709.

Inconel

Prozesse wie DMLS und SLM können zum Drucken von Werkzeugen aus Inconel-Nickellegierungen verwendet werden. Inconel ist hochtemperaturbeständig und eignet sich daher für eine Reihe von Werkzeuganwendungen, einschließlich Formen und Extrudieren.

Zusammensetzungen

Verbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärktes Nylon oder PEEK können als Ersatz für hochfeste Metalle bei der Herstellung von 3D-gedruckten Werkzeugen wie Vorrichtungen und Vorrichtungen dienen.

Technische Thermoplaste

Das 3D-Druckunternehmen Stratasys empfiehlt, bestimmte Vorrichtungen und Vorrichtungen aus Hochleistungs-FDM-Materialien wie TPU, verstärktem Nylon oder ASA herzustellen.

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