Czym jest Rapid Tooling we wtryskiwaniu?

Rapid Tooling

Ponad 30°C w cieniu, majowe, piątkowe popołudnie w auli Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki Warszawskiej i druga godzina wykładu z przedmiotu, którego nazwy już nikt nie pamięta. Wszyscy myślą tylko o chłodnym cieniu pod jakimś drzewkiem na pobliskich Polach Mokotowskich i napoju o jeszcze niższej temperaturze.

To jest druk 3D!

Okrzyk prowadzącego przerywa sen o pikniku. Pewnie dostał udaru z tego gorąca i zaraz zemdleje. 😉 Tymczasem okazało się, że to nie temperatura powietrza go tak rozgrzała, a wspomniany druk 3D.

Dr Leonidas sprawiał wrażenie ogromie podekscytowanego tą technologią. Rzecz miała miejsce krótko po premierze „300” – filmowej adaptacji komiksu Franka Millera. Tam król Leonidas w znamienniej scenie krzyczał do perskiego posła „To jest Sparta!”, więc ksywka „idealnie siadła”.

  • Za 10 lat wszystko będziemy drukować, zobaczycie!
  • Nie tylko części maszyn, ale jedzenie, medykamenty, wszystko! – mówił podniesionym głosem

Minęło już 15 lat. Ja dalej zajmuje się wtryskiwaniem, więc chyba coś „nie pykło”. Ale czy na pewno?

Drukować? – nie warto. Wtryskiwać? – nie warto

W życiu każdego produktu wtryskiwanego przychodzi taki moment, że jest już za stary na wydrukowanie go w 3D, ale jeszcze za młody na to, żeby go wtryskiwać. Wszystko co dało się sprawdzić na wydrukach zostało już sprawdzone, ale ciąć stal na formy jeszcze trochę strach. Wypadało by jednak sprawdzić jakie detale będą wypadać z wtryskarki i czy w ogóle będą wypadać. Przyszedł czas na zbudowanie formy prototypowej, formy matki, miękkiej formy – czyli narzędzia tańszego, prostszego, którego z mniejszym żalem będzie można zezłomować, gdy będzie taka potrzeba. A taka potrzeba na pewno będzie – w końcu po to buduje się taką formę, żeby wykonać serię próbną i ocenić zmiany jakie trzeba wprowadzić.

Taką formę można wyfrezować ze stopów aluminium, miękkiej stali lub wydrukować w 3D (oczywiście nie całą 😉 ). Jest to szybsze, tańsze i prostsze rozwiązanie (nie każdy jest mistrzem CNC i ma od dyspozycji centrum obróbcze) – prawdziwy Rapid Tooling.

Kiedy stosujemy Rapid Tooling
Zastosowanie Rapid Tooling (źródło: Formlabs)

Co i jak drukować?

Tak, jak wspomniałem przed chwilą nie drukujemy całej formy. Pewnie by można to zrobić, ale po co? Wystarczy nam wydruk samej wkładki gniazdowej, bo to geometrię gniazda będziemy najprawdopodobniej zmieniać, jeśli coś nam się nie spodoba. Potrzebny nam jest zatem korpus formy. Ten sam korpus możemy potem wykorzystać w produkcji seryjnej. Nasz zestaw do serii próbnej może zatem wyglądać tak (jeśli bylibyśmy zainteresowani produkcją “misiowych łebków”).

Przykład wkładki z druku 3D
Drukowane wkładki gniazdowe (źródło: Moraine Park Technical College)

No dobra, to lecimy do Biedronki po drukarkę 3D, pakujemy świeżutką szpulę filamentu i jedziemy! 😉

No niestety nie jest to jeszcze takie proste – przynajmniej dzisiaj takiego asortymentu w dyskontach nie ma. Chociaż, zwłaszcza przed Bożym Narodzeniem zdarzają się drukarki 3D w tego typu sklepach, to zawsze są to maszyny FDM. Tam drukujemy z termoplastów, a na wkładki do form potrzebne są nam tworzywa utwardzalne. Tego typu materiały stosuje się w drukowaniu 3D technologią SLA. Resztę różnic musisz sobie sam wyguglać. Nie jestem specem od druku 3D, ale na pewno jakiegoś znajdziesz. Jest to chyba temat bardzo popularny. Wszyscy już wszystko o tym wiedzą i niejednego bloga o tym napisano. 😉 Ja ograniczę się zatem tylko do tego słynnego obrazu wartego więcej niż 1000 słów.

FDM vs. SLA
FDM vs. SLA (źródło: Formlabs)

Dodam jeszcze, że tego typu utwardzalne tworzywa są też wzmacnianie włóknami szklanymi, bądź metalowymi, których orientacją można sterować dzięki zmianom pola magnetycznego podczas procesu drukowania. Prawda, że morowo? 😉

Co i jak wtryskiwać?

Pewnie jak się już domyślasz nie da się przetwarzać każdego tworzywa w formach wydrukowanych w 3D. Liczba możliwych materiałów do zastosowania w tego typu narzędziach jednak wciąż rośnie. Dr Leonidas pewnie by tu powiedział, że już niedługo wszystkie formy będziemy drukować. Ja mam inne zdanie, a póki co zobacz jak to wygląda w tabeli poniżej.

TworzywoLiczba cykli
TPU, TPR, TPE, PVC, POM, ABS, PP>100
PA, PC/ABS, PC<100
PAGF, PBT<50
Możliwe do przetwarzania tworzywa (źródło: Fortify)

Ogólnie nie zaleca się wtryskiwania tworzyw, których temperatura przetwórstwa przekracza 270°C, ale przypuszczam że nawet dla takich materiałów dałoby się kilka wtrysków wykonać.

Dokładność wykonania wkładek formujących wydrukowanych w 3D nie przekracza 0,01 mm. Dokładność odwzorowania tekstur jest jednak całkiem niezła. Na obrazku poniżej po lewej mamy wstawkę, a po prawej wykonaną w niej wypraskę.

Tekstury w Rapid Tooling
Jakość odwzorowania tekstur w formach drukowanych (źródło: Formlabs)

Bilans

Jak to w życiu bywa oprócz “plusów dodatnich” są też “plusy ujemne”. Tych dodatnich trochę już poznaliśmy, zobaczmy jakie są te drugie.

  • Trzeba być delikatnym podczas przetwórstwa – starać się unikać pików ciśnienia i dużych prędkości wtrysku.
  • Wkładki należy poddać dodatkowej obróbce – wypiaskować powierzchnie formujące, rozwiercić otwory pod kołki ustalające i wypychacze.
  • Po każdym cyklu należy chłodzić powierzchnie wkładek sprężonym powietrzem. Wodne chłodzenie jest raczej mało wydajne w “plastikowych” formach.
  • Wkładki do druku 3D w SLA projektuje się trochę inaczej niż te wykonane z metalu. (O szczegółach postaram się jeszcze na napisać)

Czy warto się w to w ogóle bawić, skoro tyle z tym zachodu?

Odpowiedzi szukaj w tabelce poniżej. Dane w niej zawarte są oparte na “faktach autentycznych” pochodzących z przedsiębiorstwa w USA.

Bezpośrednie drukowanie częściWtryskiwanie w formach prototypowych, metalowychWtryskiwanie we wkładkach drukowanych
Czas wykonania formy030 dni1 dzień
Koszt wykonania formy0$15000$200
Sumaryczny czas trwania projektu (wykonanie formy i wyprasek)72 dni32 dni3 dni
Sumaryczny koszt projektu (wykonanie formy i wyprasek)$2080$15160$360
Porównanie technik prototypowania dla wyprasek wtryskowych (źródło: Braskem)