Европейский взгляд на аддитивное производство и изготовление пресс-форм

Зарубежные бизнес-модели и способы применения АП (аддитивного производства,  Additive Manufacturing,  AM) металлических изделий обещают улучшения и в европейской индустрии адиттивного производства и изготовления пресс-формы. Ассоциация машиностроения ( VDMA ) прогнозировала на своей январской пресс-конференции, что у сектора инструментов и литейного производства в Германии будет очень позитивный год. Средний оборот увеличился на 8 процентов в 2018 году по сравнению с предыдущим годом.

Инжекционная пресс-форма из инструментальной стали, изготовленная компанией Pheonix Contact на машине для лазерного наплавления (Laser Metal Fusion, LMF) от TRUMPF. Продолжительность изготовления: 45 часов (740 слоёв по 50 микрон)

Тем не менее, Марко Шюлкен, председатель подразделения VDMA по производству инструментов, заявил, что его беспокоит несправедливая деловая практика со стороны некоторых крупных клиентов в этом секторе, которая вызвала «кровоизлияние в немецких инструментальных и литейных цехах». Это кровоизлияние включает в себя  предварительное финансирование конкретных клиентов. проекты, огромные скидки на существующие контракты для обеспечения контрактов на продление и задержки в утверждении плесени в качестве причины для работы с инструментами, которые еще не оплачены. С другой стороны, экспорт инструментов и пресс-форм был очень позитивным в 2018 году, Schülken говорит, что США остаются крупнейшим экспортным направлением, увеличившись на 20 процентов в прошлом году. Из-за ситуации между США и Мексикой экспорт сократился на 15 процентов одновременно.

Эти цифры показывают, что немецкие технологии и инструменты все еще востребованы, но когда дело доходит до инноваций, пробуя новые вещи и оставляя проверенный путь, немецкие компании отстают от американских компаний, говорит эксперт по аддитивному производству (AM) Марк Димтер из Трампф в Дитцингене. «Компаниям здесь нравятся новые технологии, включая производство добавок», — говорит он. «Но американцы гораздо более авантюрны в этом отношении. Мой коллега Кристоф Дёрр изучает рынок литья под давлением в США, поскольку конформное охлаждение (которое можно реализовать с помощью AM) гораздо чаще встречается в этом секторе промышленности, чем здесь, в Европе ».

Он также отмечает, что клиенты в США требуют конформного охлаждения, в то время как немецкие компании покупают эти пресс-формы и умирают у США, потому что эти магазины сделали себе имя, когда речь идет о высокопроизводительных инструментах на основе конформного охлаждения. Однако есть интересные новые разработки и приложения, развивающиеся и здесь, в Европе.

Вместо того чтобы просто добавлять конформные каналы охлаждения во вставки пресс-формы, предоставленной заказчиком, всю конструкцию спроектировали заново с ориентацией на возможности AM – при этом использовалось меньше материала, стандартных деталей и плит, чем при традиционном подходе. По данным Toolcraft, она получилась на 50% легче исходной. Преимущества оптимизированной конструкции для заказчика: меньшее потребление энергии в процессе прессования, 30%-е сокращение продолжительности цикла. Компания Toolcraft, со своей стороны, смогла быстрее изготовить пресс-форму при сохранении затрат на том же самом уровне.

Конформное охлаждение — изменение правил игры

Конформное охлаждение, безусловно, является основным приложением аддитивного производства в изготовлении пресс-форм, поскольку оно может улучшить путь потока, минимизировать искажения и сократить время цикла на целых 40 процентов.

Наиболее востребованной возможностью AM при изготовлении пресс-форм является получение конформных систем охлаждения, позволяющих улучшить каналы отвода тепла, минимизировать перекашивание готовых изделий и сократить продолжительность цикла более чем на 40%

Об этом знает Жоао Фраде, менеджер по производству пресс- форм Erofio в Португалии. «Наибольший потенциал для повышения качества и скорости деталей лежит на металлических 3D-печатных пресс-формах с конформным охлаждением. Охлаждение деталей в пресс-форме является наиболее трудоемкой частью процесса литья пластмасс под давлением », — говорит он. Компания первой в Португалии запустила линейный лазерный станок M3 от Concept Laser, который предлагает клиентам возможность интегрировать сложные конформные каналы охлаждения в свои формы. «Я верю в работу машин с одним лазером, так как здесь меньше тепла и меньше коробления», — говорит Фраде. «Это выгодно для разработки инструментов с конформным охлаждением, потому что клиенты и инжекционные формовщики очень выигрывают от этого»

Тем не менее, добавляет он, в то время как решения для конформного охлаждения могут значительно снизить общую стоимость производства за счет сокращения времени цикла пресс-формы, они также требуют сложной конструкции пресс-формы. «Покупка машины не только позволяет производить полезные вкладыши. Во-первых, вы должны иметь квалифицированного и опытного технолога или инженера в штате для проектирования и запуска процесса печати металла. Это не вычитающая обработка, и она требует совершенно другого набора навыков. Без этого усилия в лучшем случае обречены на разочарование », — говорит Фраде. «Кроме того, вы должны помнить, что существуют значительные первоначальные затраты, которые могут оправдать инвестиции, только если в готовый продукт встроен достаточный объем деталей или высокая маржа».

АП (AM) – это больше, чем просто машины

На рынке существует пробел для специализированных подрядных компаний, которые поставляют пресс-формы производителям деталей АП, потому что для AM есть нечто большее, чем просто машина для 3D-печати. Магазины должны спросить о требованиях к вспомогательному оборудованию, постобработке, обработке порошка, квалификации металлических деталей и безопасности.

Компания Protiq , поставщик услуг промышленной 3D-печати, имеет ответ на все эти вопросы, и ее генеральный директор Ральф Гертнер видит большой потенциал в предоставлении этой услуги клиентам, в том числе и в секторе литья под давлением. «Нам все еще нужно убедить многие компании «мыслить аддитивно» и применять аддитивные технологии для производства, например, конформных каналов охлаждения, которые обеспечивают короткое время цикла и высококачественные детали», — говорит он. «Однако многие компании пытаются перевести обычные технологии, такие как фрезерование, сверление и шлифование в АП, что не работает. Тебе нужно думать аддитивно. Вам необходимо проектировать детали с учетом возможностей, которые предлагает технология AM».

В отличие от обычного производства, именно дизайн определяет производственный процесс в AП. Например, пресс-формы с оптимизированным весом, которые включают внутренние структуры и функции, могут быть на 75 процентов легче, чем обычные пресс-формы с использованием стандартных пластин, деталей и механически обработанных вставок и стержней.

«Мы можем изготовить максимально оптимизированные литьевые формы, которые легки, тонки и изготавливаются за короткое время, которое требовалось при изготовлении инструмента путем фрезерования», — объясняет Гертнер. Он использует оптимизацию топологии и моделирование для создания форм, чтобы убедиться, что конформные каналы охлаждения находятся в правильном месте и используется минимальное количество материала. «Мы сэкономили около 25 процентов производственного времени, чтобы изготовить эту пресс-форму, главным образом потому, что многие функции уже интегрированы в пресс-форму во время процесса AM, которые не нужно монтировать и собирать после процесса обработки. Благодаря продолжительности цикла 3,2 секунды эта форма является одной из самых быстрых, которые мы когда-либо создавали».

Установление партнерских отношений

Для Димтера идея аутсорсинга AM и создания сети среди компаний, которые преуспели в различных аспектах технологий, является жизнеспособным вариантом. Тем не менее, он также видит растущий спрос на все больше автоматизированных процессов и интегрированных цепочек процессов, что все больше смещает технологию AM в основной бизнес производителей инструментов и пресс-форм.

Основанная в Германии компания Toolcraft достигла именно этого. Компания работает на машинах Trumpf, EOS и Concept Laser (всего их восемь) и создала цепочку цифровых процессов, которая является последовательной и отслеживаемой на всех этапах процесса. Это очень важно для компании, которая производит не только инструменты и пресс-формы, но и аэрокосмические детали, для которых они сертифицированы NADCAP для неразрушающего контроля (NDT). «Внедрив одно программное обеспечение, Siemens NX, мы смогли избавиться от изолированных 3D-принтеров и четырех различных пакетов программного обеспечения с многочисленными интерфейсами и форматами», — говорит генеральный директор Кристоф Хаук. «Мы тесно сотрудничаем с нашими партнерами, включая Siemens, что имеет первостепенное значение для нашего успеха».

«Использование одного программного обеспечения для проектирования, оптимизации топологии и FEM для проверки конструкции также помогло перепроектировать инструмент пресс-формы клиента», — объясняет он. Конструкция пресс-формы аналогична конструкции, описанной Protiq, описанной выше, где полностью перерабатывается конструкция пресс-формы. Вместо простого добавления конформных охлаждающих каналов к вкладышам формы, эта форма дополнительно разработана с использованием меньшего количества материала и стандартных деталей и пластин в качестве обычных инструментов. По данным Toolcraft, пресс-форма на 50 процентов легче оригинальной конструкции клиента, что означает меньшее энергопотребление в процессе литья под давлением, сокращение циклов на 30 процентов и ускорение производства при сохранении затрат на прежнем уровне.

В то время как более крупные компании, такие как Toolcraft или внутренние инструменты и мастерские по изготовлению пресс-форм, обслуживающие, в основном, свою материнскую компанию, могут иметь более гибкий предел прибыли, дополнительные затраты действительно являются проблемой для обычного мелкого и среднего производителя пресс-форм.

«Производители пресс-форм действительно рады конформному охлаждению», — говорит Димтер. «Но очень часто это не окупается. Напротив, производитель пресс-форм должен гарантировать количество выстрелов; он несет риск, и он не может извлечь выгоду из внедрения технологии 3D. Это его клиент, литьевой пресс, который выигрывает, но если магазин зависит от крупного OEM-производителя, он задается вопросом, кто заплатит ему накладные расходы за высокопроизводительный инструмент. Поэтому, как производитель пресс-форм, вы должны сначала убедить клиента. Во времена высокого ценового давления и экономических опасений готовность инвестировать еще больше денег в оптимизированный инструмент уменьшается. В конце концов, инвестиции окупаются только после нескольких месяцев производства ».

Другие направления применения АП

Наиболее востребованной возможностью AM при изготовлении пресс-форм является получение конформных систем охлаждения, позволяющих улучшить каналы отвода тепла, минимизировать перекашивание готовых изделий и сократить продолжительность цикла более чем на 40%

Помимо создания интеллектуальных конформных каналов охлаждения, Metal AM предлагает различные возможности для улучшения или изобретения новых функций, интегрированных в формы и инструменты. Они могут иметь геометрическую природу (полости и каналы, а также ячеистые структуры, в основном используемые для охлаждения), основанные на материалах (возможность использования материалов, которые не могут быть обработаны или обработаны с использованием обычных методов обработки) и интегрированные функции (интеграция датчиков, приводы и электрические функции), а также ремонт пресс-форм (сменные стержни могут быть напечатаны в течение ночи или в течение нескольких дней).

Аддитивно изготовленные пористые микроструктуры в этом пневматическом эжекторе делают возможным выталкивание без помощи механических компонентов – путем гибкого позиционирования зоны эжектора в пресс-форме. Кроме того, можно использовать микроканалы – например, для вентиляции. (Фотография предоставлена компанией Hofmann)

Например, компания Hofmann из Лихтенфельда, специализирующаяся на производстве инструментов и пресс-форм (именно там и родилась компания Concept Laser), производит пневматические инжекторы для выталкивания деталей без механических компонентов с помощью пористых микроструктур, изготовленных методом аддитивного производства, и эластичных линий разделения для уплотнений сталь-на-стали. , которые трудно реализовать для материалов с низкой вязкостью, таких как полиуретан.

В то время как наиболее распространенными и подходящими процессами для пресс-форм и их специфическими потребностями и применениями являются процессы на основе порошкового слоя, где металлический порошок либо селективно спекается в слоях с помощью лазерного луча (LBM), либо локально плавится с помощью движущегося электронного луча (EBM), существуют альтернативные процессы.

Например, Hermle предлагает процесс нанесения металлического порошка (MPA), который сочетается с пятиосевой обработкой на одном станке. В отличие от многих других аддитивных технологий, MPA не использует лазеры. Вместо этого металлический порошок наносится на подложку через газ-носитель через сопло де Лаваля. Расслоение происходит просто за счет пластической деформации при ударе частиц. В этом процессе ни частицы порошка, ни подложка не являются расплавленными. Согласно Hermle, это приводит к сравнительно низкому натяжению конструкции и почти не деформирующимся компонентам.

По словам представителей компании, производство инструментов и пресс-форм для литья пластмасс под давлением является областью применения, в которой MPA может полностью продемонстрировать свои сильные стороны. Здесь время цикла может быть значительно сокращено благодаря умелому использованию конформных каналов охлаждения, говорит Хермл. Кроме того, в жаропрочных сталях, часто используемых для компонентов пресс-формы, материал после термообработки на 100% непроницаем, а функциональная поверхность литьевой формы может быть даже отполирована до блеска (согласно ISO 4287, измеренная глубина шероховатости Rz = 0,1 мкм, среднее значение шероховатости Ra = 0,005 мкм).

Благодаря этому внедрение AM становится возможным даже при самых высоких требованиях к гладкости поверхности, говорит Хермл. Конкретные применения можно найти, например, в производстве отражателей и элементов крышки фар для автомобилей, где нельзя допускать дефектов поверхности из-за образования рассеянного света.

источник https://www.moldmakingtechnology.com/blog/post/a-european-view-on-am-rethinking-injection-molds

Back to Top