Navigation von der additiven Fertigung zum Spritzguss

Die Präzision und Wiederholbarkeit des 3D-Drucks in Industriequalität hat die additive Fertigung als effektives und genaues Verfahren für das funktionale Prototyping etabliert. Gleichzeitig ist der Kunststoffspritzguss seit langem eine zuverlässige und kosten- und zeiteffiziente Methode, um Teile für größere Produktionsserien von Zehntausenden und mehr herzustellen.

Infolgedessen haben Ingenieure, Designer und Produktentwickler festgestellt, dass diese beiden Prozesse im Lebenszyklus eines Produkts gut zusammenarbeiten, angefangen bei der Minderung des Designrisikos durch 3D-Druck-Prototyping bis hin zur Umstellung auf die Herstellungsmethode des Spritzgießens Hochfahren für höhere Volumina. Für Millionen von Teiledesigns im Laufe der Jahre war dies eine ideale Kombination.

Bei Protolabs gibt es zahlreiche Beispiele aus verschiedenen Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung und Medizintechnik.

Es sollte beachtet werden, dass es mehrere 3D-Druckverfahren gibt, die in der Lage sind, voll funktionsfähige Produktionsteile zu bauen. Direktes Metall-Lasersintern verwendet beispielsweise eine Reihe von Metallen zur Herstellung von Endverbrauchsteilen. Selektives Lasersintern unter Verwendung von Materialien auf Nylonbasis kann äußerst haltbare Endteile erzeugen. Multi Jet Fusion wird auch zur Herstellung von Endverbraucher-Nylonteilen verwendet.

Allerdings bleibt die Umstellung von 3D-gedruckten Prototypen auf Spritzguss-Endteile eine häufig genutzte Option, vor allem, wie bereits erwähnt, weil das Formen eine kosten- und zeiteffizientere Möglichkeit ist, Teile in größeren Stückzahlen herzustellen.

Bei der Auswahl dieser Option müssen Sie eine Reihe einzigartiger Designüberlegungen berücksichtigen. Dieser Beitrag bietet Ratschläge zum Navigieren in dieser Schicht:

• Definieren eines Teils vor dem Entwerfen eines Teils
• Mehrere Prototypen verwenden
• Manövrieren durch Formen
• Materialauswahl
• Minderung von Kosten und Fristen

Durch den 3D-Druck von Prototypen vor dem Übergang zum Formen können Produktentwicklungsteams das Designrisiko reduzieren und Iterationen schneller durchführen.

Minderung des Konstruktionsrisikos:Definieren eines Teils vor dem Entwerfen eines Teils

Beim Prototyping mit 3D-Druck oder additiver Fertigung dreht sich alles um die Minimierung des Designrisikos:Es wird untersucht, wie das Design eines Teils verbessert werden kann; Prüfen, welche potenziellen Risiken für die Form, Passform und Funktion eines Teils bestehen könnten; Ausprobieren und Prüfen verschiedener Designkonzepte; und darauf achten, sich nicht in eine Ecke zu drängen, indem man die Herstellbarkeit des Teils nicht berücksichtigt. Tatsächlich gibt es beim 3D-Druck nur wenige Regeln oder Einschränkungen, die Ihnen beim Erstellen eines Teils Probleme bereiten können. Aber ein formbares Teil zu entwerfen, nun, das ist eine andere Geschichte. Die Funktion wirkt sich bei jeder Art von Teilen auf die Form aus, aber insbesondere bei Kunststoffteilen wirkt sie sich auch auf die Verarbeitung und sogar auf das Design der Form aus, die sie formt.

Hier kommt unsere automatisierte digitale Angebotsplattform ins Spiel. Diese Analyse ist besonders wichtig, wenn Sie bedenken, dass das Teil geformt oder zumindest in etwas größeren Mengen über die Prototypenphase hinaus produziert wird. Für 3D-gedruckte Teile erhalten Sie sofort ein Angebot mit interaktiven Preisen basierend auf Material, Auflösung und Finish. Außerdem können Sie jederzeit Design-Feedback von einem unserer internen Ingenieure für additive Fertigung erhalten. Für Formteile erhalten Sie innerhalb weniger Stunden ein interaktives Online-Angebot sowie die DFM-Analyse und Echtzeitpreise basierend auf Menge, Ausführung und Lieferzeit.

Aber kehren wir zu einigen Beispielen zur Risikominderung zurück. In der Automobilindustrie muss ein Teildesign, das als Komponente in den Motor eines SUV passt, wahrscheinlich hoher Hitze und Feuchtigkeit standhalten. Dies wird wichtige Entscheidungen treffen, z. B. welches Material verwendet werden soll und welche Produktionsmethode zu wählen ist. Es kann erforderlich sein, selektives Lasersintern (SLS) zu verwenden, ein 3D-Druckverfahren, mit dem funktionelle Produktionsteile hergestellt werden können, oder möglicherweise geformte oder bearbeitete Teile. Oder sagen wir mal, ein Medtech-Unternehmen entwickelt Prototypen für ein neues, handgeführtes chirurgisches Instrument. In diesem Fall wäre ein 3D-gedruckter Prototyp ein Werkzeug, das in einer Arztpraxis oder Klinik für Verkaufsdemonstrationen und Gebrauchstests gut funktionieren würde.

In dieser frühen Front-End-Phase ist es am besten, gute, solide Designprinzipien zu verwenden, um bei der Definition zu helfen ein Teil vor dem Entwerfen ein Teil. Was zum nächsten Abschnitt führt:die Rolle von iterativen oder multiplen Prototypen.

Das Ingenieurteam, das den Indago Quadcopter entwickelt hat, erstellte einen Prototyp des Designs mit 3D-Druck und ging dann zum Formen für die Produktion über.

Multi-Prototyping hilft bei der Bestimmung einer Produktionsmethode

Wie bereits erwähnt, gibt es wenige Regeln oder Einschränkungen bei der Erstellung eines Teils mit additiver Fertigung. Das ist ein Segen und ein Fluch. Es ist besonders eine Herausforderung, wenn Designer ein gedrucktes Prototypdesign auf Formteile oder eine andere Produktionsmethode umstellen möchten. Wieso den? Nun, im Fall von Formteilen „mag“ es dicke Querschnitte, Überhänge, Fließen, das um einen Kern herumgeht, und Stricken, komplexe Geometrie, interne Kanäle oder Kammern, organische Geometrien und so weiter. Mit anderen Worten, nur weil etwas 3D-gedruckt werden kann, bedeutet das nicht unbedingt, dass es geformt werden kann.

Daher kann Cross-Quoting – das Zitieren über oder gegen mehrere Prozesse hinweg – zusammen mit iterativem Prototyping ein hilfreicher Überprüfungsprozess für ein Teiledesign sein. Wenn Sie dies parallel tun, können Sie zeigen, ob das Teil überhaupt funktionsfähig sein wird, und wie es dann erfolgreich in den nächsten Schritt umgewandelt werden kann, in ein Verfahren, das eine Produktion in höheren Stückzahlen ermöglicht, sei es Formen, Gießen, Bearbeiten oder Blech Herstellung oder andere Prozesse. Dieses Multi-Prototyping wird Ihnen wahrscheinlich auch dabei helfen, Preis- und Zeitüberlegungen zu berücksichtigen.

Beim Spritzgießen werden Sie auf mehr Einschränkungen stoßen, was geformt werden kann und was nicht, denn wenn die Form nicht hergestellt werden kann, kann das Teil nicht hergestellt werden. Für das Spritzgießen müssen viele Formtechniken und -elemente verwendet oder hinzugefügt werden (siehe nächster Abschnitt zum Manövrieren durch das Formen).

Ein Beispiel für diesen Multi-Quoting-Prozess aus der Luft- und Raumfahrtindustrie war die Quadcopter-Drohne von Lockheed Martin (siehe Kasten in der Seitenleiste). Der Projektdesigner Miguel Perez, ein Ingenieur von Lockheed Martin, arbeitete mit dem automatischen Angebotssystem für die DFM-Analyse von Protolabs, das ihn durch verschiedene Teileiterationen führte und ihn schließlich dazu veranlasste, vom Prototyping mit 3D-Druck sowohl zum Prototyping als auch zur Kleinserienproduktion überzugehen mit Spritzguss.

Er übermittelte ein unverändertes Modell an das Angebotssystem und erhielt dann Rückmeldungen, beispielsweise zur Funktionsweise der Formhälften, zu Vorschlägen für Seitenzüge und zur Hervorhebung von Merkmalen, die nicht geformt werden konnten. Perez würde diese Informationen dann verwenden, um das 3D-gedruckte Teil in mehrere formbare Schnittstellenteile zu verwandeln, die die Designabsicht bewahren würden. Dann reichte er die geänderten Teile erneut ein und erhielt noch mehr Feedback vom Angebotssystem, wie die Form hergestellt werden könnte, und zeigte ihm beispielsweise, wo er möglicherweise erforderliche Entwürfe in geeigneten Richtungen übersehen hatte.

Ein Beispiel aus der Medizinbranche sind die Verifizierungstests, die der 3D-Druck für ein Teil wie einen Luer-Lock bereitstellt, der auf das Ende von Spritzen geschraubt wird und passt. Es gibt bestimmte Möglichkeiten, diese Schlösser zu formen, um Kosten zu sparen, aber Designs können zuerst mit 3D-Druck validiert werden, um sicherzustellen, dass sie sich fest genug zusammenziehen, um beispielsweise ein Siegel herzustellen, bevor sie der Meinung sind, dass sie gut genug funktionieren, um sie zum Formen weiterzuleiten /P>

Letztendlich kann Ihnen das Testen und Verwenden mehrerer Prototypen je nach dem zu entwerfenden Teil helfen, zu überprüfen, ob etwas funktioniert, und Ihnen dabei helfen, mehr Vertrauen in einen Prototyp zu gewinnen, bevor Sie den Sprung zum Spritzgießen wagen.

Das Prototyping von passenden Komponenten wie einem Luer-Verschluss, der auf eine Spritze geschraubt wird, ist eine großartige Möglichkeit, Passform und Funktion vor der Investition zu bestätigen im Produktionswerkzeugbau.

Manövrieren durch Gießen

Um diesen Übergang von gedruckten Prototypen zu Formteilen zu vollziehen, sollten eine Reihe von Formdesignmethoden in Betracht gezogen und gegebenenfalls angewendet werden. Die beiden wichtigsten dieser Techniken sind gleichmäßige Wandstärke und Formschräge, obwohl es auch einige andere gibt. Hier ist ein kurzer Überblick:

Einheitliche Wandstärke. Die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Wandstärke ist wahrscheinlich die wichtigste Konstruktionsanforderung für gute Formteile. Eine gleichmäßige Wandstärke ermöglicht es dem geschmolzenen Kunststoff, die Form gleichmäßig zu füllen, wodurch kein Teil mit Verwerfungen, Einsinkungen, dünnen Bindenähten oder anderen Defekten entsteht.

Entwurf. Das Hinzufügen von Schräge oder Neigung zu vertikalen Wänden eines Teils erleichtert das Auswerfen oder Entfernen des Teils aus der Form. Die Hauptregel lautet, 1 Grad Formschräge pro Zoll Tiefe auf den Formhohlraum anzuwenden.

Radien. Verwenden Sie Radien oder abgerundete Ecken, um den Kunststofffluss in die Form sowie die Integrität des Teils zu verbessern. Scharfe Ecken erhöhen die Belastung Ihres Teils und behindern den Fluss des geschmolzenen Kunststoffs (Harz).

Rippen, Zwickel, Rampen. Das Einbeziehen von Rippen und Stützzwickeln kann die Festigkeit von Strukturteilen erhöhen und dazu beitragen, Verwerfungen, Einsinkungen und Hohlräume zu vermeiden. Die Rippen sollten 40 bis 60 % der Dicke der angrenzenden Wand betragen. Rampen anstelle von scharfen Stufen können die Spannung bei Verschiebungen zwischen dickeren und dünneren Wandabschnitten reduzieren.

Bosse. Das Entwerfen einer dünneren Wand an einem Vorsprung oder Befestigungselement, das eine Schraube aufnimmt, beseitigt Einfallstellen und Hohlräume.

Einzelheiten zu den Konstruktionsrichtlinien für Spritzguss, einschließlich Teilegrößen- und Materialempfehlungen, finden Sie in unseren Konstruktionsrichtlinien für Kunststoffspritzguss, die maximale Größenabmessungen, Listen häufig verwendeter Kunststoffe und Oberflächenveredelungen sowie kundenspezifische Farbabstimmung und sekundäre Veredelungsoptionen enthalten; Designrichtlinien für flüssigen Silikonkautschuk (LSR); und Richtlinien zum Umspritzen und Umspritzen.

Materialüberlegungen zum Spritzgießen

Die beiden großen Kategorien von Kunststoffmaterialien sind Thermoplaste und Duroplaste (z. B. LSR). Die Auswahl eines Materials basiert auf einer Vielzahl von Überlegungen. Die mechanischen, physikalischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften des Materials sind wichtig. Die Herstellbarkeit ist von entscheidender Bedeutung, beispielsweise die Eigenschaften der Harze (Kunststoffmaterialien in ihrer Rohform), einschließlich ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Verformung während des Abkühlens und wie gut sie kleine Merkmale einer Form ausfüllen. Je nach Funktion des Teils kann auch das optische Erscheinungsbild wichtig sein. Materialkosten sind ein weiteres Problem. Es können auch andere besondere Erwägungen gelten, wie z. B. die Notwendigkeit von FDA- oder UL-Zulassungen.

Minderung von Kosten und Fristen

Natürlich sind auch die Gesamtkosten und Budgets sowie Zeitpläne und Fristen wichtige Überlegungen. Und in manchen Fällen mag es den Anschein haben, dass vor allem die Kosten der wichtigste Einflussfaktor auf die Teile- oder Produktentwicklung sind. Durch den Einsatz kostengünstigerer Produktionsverfahren wie Formpressen können die Kosten jedoch gesenkt werden.

In diesem Sinne kann sich eine bevorstehende Deadline auch wie ein Top-Influencer anfühlen. Dank digitaler Fertigungsmethoden, die die Produktentwicklung beschleunigen können, kann die Prototypenerstellung und Produktion von Teilen und Produkten jedoch drastisch verkürzt werden.

Gus Breiland ist leitender technischer Ingenieur bei Protolabs in Minnesota.

Eric Utley ist Anwendungstechniker bei Protolabs in North Carolina.