La stampa 3d sostituirà lo stampaggio a iniezione?

La stampa 3d sostituirà lo stampaggio a iniezione è stato un dibattito molto acceso negli ultimi tempi. Con i progressi della tecnologia di stampa 3D, alcuni sostengono che sia solo una questione di tempo prima che la produzione additiva sostituisca il tradizionale stampaggio a iniezione della plastica.

In questo post analizzerò le capacità di entrambi i processi per stabilire se la stampa 3D può davvero sostituire definitivamente lo stampaggio a iniezione.

Stampa 3D e stampaggio a iniezione

Come un regolare produttore di stampaggio a iniezione di plasticaNon ho conoscenze tecniche approfondite sui processi di produzione della stampa 3D.

Così ho contattato John Smith, fondatore di Stampa 3D ACME, per il suo parere.

Mi ha detto: "La stampa 3D ha fatto molta strada negli ultimi anni. Ma lo stampaggio a iniezione presenta ancora alcuni vantaggi fondamentali in termini di costi, qualità e capacità produttiva".

Mentre la stampa 3D è ideale per la prototipazione rapida e i pezzi personalizzati, lo stampaggio a iniezione è il re quando servono oltre 100.000 pezzi di plastica identici.

Tuttavia, vi sono indicazioni che la stampa 3D potrebbe presto recuperare terreno:

1. Scalabilità - Le aziende leader nella stampa 3D, come Carbon, stanno sviluppando sistemi su scala di produzione in grado di competere con lo stampaggio a iniezione.
2. Costi - Il costo per pezzo della stampa 3D sta scendendo. E se si tiene conto delle spese generali dei sistemi di stampaggio a iniezione, il punto di incontro si avvicina.
3. I materiali - I nuovi materiali avanzati per la stampa 3D offrono proprietà meccaniche pari a quelle delle plastiche per lo stampaggio a iniezione.
4. Complessità del design - La stampa 3D è in grado di gestire geometrie complesse che lo stampaggio a iniezione non è in grado di eguagliare.

Sebbene lo stampaggio a iniezione mantenga il vantaggio per ora, i progressi delle tecnologie di stampa 3D potrebbero sostituirlo in futuro.

Confronto tra lo stampaggio a iniezione e la stampa 3D

Per avere un quadro equilibrato, confrontiamo alcuni degli attributi chiave tra lo stampaggio a iniezione e la stampa 3D:

Scalabilità

Lo stampaggio a iniezione è il re quando si parla di scala. L'intero processo è ottimizzato per la produzione in serie: si possono facilmente creare centinaia di migliaia di componenti identici.

La stampa 3D è stata tradizionalmente il regno dei prototipi e dei lotti ridotti. Ma questa tendenza si sta evolvendo...

Prendiamo i sistemi Multi Jet Fusion di HP. Il loro involucro di lavoro di 380 x 284 x 380 mm può produrre fino a 80.000 cm3 all'ora, non molto lontano da alcune configurazioni di stampaggio a iniezione.

E l'enorme volume di costruzione di 190x315x330 mm di Carbon è in grado di creare oltre 500.000 pezzi all'anno utilizzando il processo DLS ultraveloce.

Quindi, mentre lo stampaggio a iniezione vince per ora sulla scala, alcuni sistemi di stampa 3D stanno recuperando terreno.

Tempo di ciclo

Il tempo di ciclo misura il tempo necessario per creare ogni pezzo. E i rapporti di stampaggio a iniezione sono difficili da battere.

Per i pezzi semplici, lo stampaggio a iniezione può produrre più di 20 pezzi al minuto da alcuni sistemi di fascia alta.

Per contro, analizziamo Origin One di Origin:

• 165 parti al giorno
• Funzionamento 24 ore su 24 = 165 parti
• 60 minuti all'ora = 1 parte ogni 22 minuti

Quindi, per i componenti di base, il tempo di ciclo è a favore dello stampaggio a iniezione. Tuttavia, la complessità del pezzo gioca un ruolo importante anche in questo caso...

Complessità del design

Quando si tratta di geometrie complesse, la stampa 3D ha un netto vantaggio.

Il processo di costruzione strato su strato utilizzato nella stampa 3D consente di creare quasi tutte le forme.

Lo stampaggio a iniezione richiede l'uso di stampi, quindi i progetti dei pezzi devono consentire un facile rilascio dei pezzi finiti.

I sottosquadri, gli elementi negativi e i dettagli finissimi non funzionano. Se lo fanno, si pagherà un sacco di soldi per stampi in più parti e processi di pulizia post-stampaggio.

Eliminando queste restrizioni, la stampa 3D può creare oggetti impossibili da realizzare altrimenti.

Quindi, per i pezzi all'avanguardia che sfruttano complessi reticoli decentralizzati e intricate forme cave, la stampa 3D ha la meglio.

Costo della parte

Ora, probabilmente, il fattore più importante: quanto costa la produzione di ciascun pezzo?

A causa degli elevati costi di attrezzaggio, lo stampaggio a iniezione diventa economico solo per volumi più elevati, in genere oltre 10.000 pezzi. Per le piccole serie, i costi sono proibitivi.

La stampa 3D, tuttavia, ha un punto di pareggio molto più basso. Infatti, può offrire una maggiore efficienza dei costi per lotti di 50-5.000 pezzi.

Supponiamo che abbiate bisogno di 500 piccoli widget all'anno.

• Stampaggio a iniezione - La lavorazione dello stampo costerebbe più di $10-20k. Poi è necessario acquistare una macchina per lo stampaggio a iniezione (decine di migliaia di dollari) e procurarsi i pellet di plastica.
• Stampa 3D - Nessun costo di attrezzaggio. Basta progettare il pezzo e inviarlo a un ufficio di stampa 3D di produzione come Protolabs.

Anche se il costo della stampa 3d per unità è più alto, il costo totale sarà probabilmente a favore della stampa 3d per questi lotti di medie dimensioni.

E con le tecniche additive avanzate come il CLIP che riducono i costi delle materie prime, il punto di incontro in cui la stampa 3D vince diventa ancora più piccolo.

Finitura superficiale

Lo stampaggio a iniezione, anche senza lucidare gli stampi, può ottenere finiture superficiali estremamente lisce fino a 0,5 Ra e oltre.

Il processo di stratificazione fusa della stampa 3D porta intrinsecamente alla formazione di linee di gradini visibili sulle superfici inclinate. L'altezza minima dello strato commerciale, pari a circa 0,025 mm, lascia una texture granulosa.

Pertanto, le parti che si basano su una finitura superficiale superfine, come le lenti o le ottiche riflettenti, non possono attualmente sfruttare la stampa 3D.

Detto questo, tecniche come la levigatura chimica applicata dopo il processo di costruzione possono ridurre notevolmente la visibilità degli strati.

Precisione e tolleranze

Anche in questo caso, lo stampaggio a iniezione presenta un vantaggio rispetto alla maggior parte della stampa 3D quando sono necessarie tolleranze inferiori a 50 micron.

Gli stampi in metallo lavorati possono produrre in modo affidabile pezzi con un'approssimazione di ±0,005 mm (±0,0002″). Inoltre, la ripetibilità da un componente all'altro batte la produzione additiva.

Tuttavia, alcuni metodi di stampa 3D sono in grado di ottenere anche dettagli di precisione. Ad esempio, CLIP vanta un'accuratezza di ~10 μm, mentre anche il binder jetting (~15 μm) convince.

Quindi, mentre lo stampaggio a iniezione supera ampiamente la stampa 3D per le esigenze di altissima precisione, alcuni processi additivi possono eguagliare la precisione dello stampaggio a iniezione più semplice.

Scelta del materiale

Con oltre 30.000 gradi disponibili, lo stampaggio a iniezione offre la più ampia scelta di materiali. Le resine standard spaziano da PP, PE, POM, PC e oltre, spesso modificate con additivi personalizzati.

I polimeri per la stampa 3D sono attualmente circa 100. Ma nuove formulazioni emergono regolarmente. Ma nuove formulazioni emergono regolarmente: il PEEK e il PEKK ad alta temperatura mostrano il potenziale della produzione additiva.

La gamma spazia dal filamento TPU flessibile per FDM alla resina somos per la sterolitografia e ai polimeri liquidi ottimizzati CLIP. La scelta dei materiali si amplia ogni anno.

Per ampliare ulteriormente le capacità, compositi come la fibra di carbonio continua mescolata con PEKK e PEEK rafforzano le prestazioni meccaniche.

In generale, lo stampaggio a iniezione offre la più ampia scelta di materiali. Ma con i polimeri e i compositi additivi avanzati che stanno colmando il divario, la stampa 3D potrebbe recuperare in breve tempo.

La stampa 3D sostituirà completamente lo stampaggio a iniezione?

Nel prossimo futuro, non credo che la stampa 3D possa scalzare completamente lo stampaggio a iniezione. Ecco perché:

Miliardi di pezzi

Per le applicazioni ad altissimo volume (si pensi a miliardi di pezzi all'anno), la produzione additiva non è ancora competitiva.

Nella migliore delle ipotesi, i sistemi leader di Carbon e HP stampano centinaia di migliaia di componenti all'anno.

Tuttavia le fabbriche in Cina producono più milioni di pezzi ogni giorno su decine di migliaia di macchine per lo stampaggio a iniezione.

Quindi, nonostante i progressi, lo stampaggio a iniezione su larga scala per i pezzi destinati al mercato di massa rimane ineguagliato.

Applicazioni di nicchia

Alcune applicazioni richiedono proprietà attualmente possibili solo attraverso lo stampaggio a iniezione.

Per esempio, dal punto di vista di John, i componenti medici che sfruttano resine specializzate sono difficili da ricreare attraverso la stampa 3D.

E le lenti ottiche che raggiungono valori di Abbe possibili solo con acrilici e policarbonati stampati a iniezione non possono ancora passare alla produzione additiva.

Quindi lo stampaggio a iniezione specializzato serve indubbiamente ancora nicchie critiche che lo sviluppo della stampa 3D deve ancora replicare.

Catena di fornitura ubiqua

Lo stampaggio a iniezione vanta un ecosistema vasto e radicato. Dalla capacità delle presse alle catene di fornitura dei materiali e alla lavorazione secondaria.

La produzione additiva non può ancora accedere alla scala delle infrastrutture. I colli di bottiglia nell'approvvigionamento di stampanti, resine, finitura e ispezione dei pezzi limitano il tasso di espansione.

Questo non significa che l'ecosistema della supply chain non si stia evolvendo rapidamente. Ma è ancora indietro di decenni rispetto alle reti di stampaggio a iniezione costruite in quasi 100 anni.

Finché i canali di distribuzione dei materiali polimerici e la capacità di produzione dei sistemi non si espanderanno in modo esponenziale, lo stampaggio a iniezione manterrà il dominio della catena di fornitura.

Il verdetto: Coesistenza, non spostamento

Dopo aver confrontato le metriche chiave relative a scala, costi, velocità, qualità e capacità, la conclusione è chiara.

Nel 2024 e nell'immediato futuro, la stampa 3d fa assolutamente non sostituire completamente lo stampaggio a iniezione.

Le due piattaforme produttive si completano a vicenda.

John lo riassume al meglio:

"La stampa 3D permette di realizzare nuovi progetti impossibili con lo stampaggio a iniezione. E le tecniche additive offrono una maggiore flessibilità nei volumi di produzione".

"Ma per la produzione di massa di miliardi di pezzi di alta qualità, sfruttando materiali e catene di fornitura consolidati, lo stampaggio a iniezione è ancora al primo posto".

Quindi, piuttosto che inquadrare le tecnologie additive come un'usurpazione delle tecniche tradizionali, è meglio riconoscere i punti di forza che ciascuna di esse offre.

In questa prospettiva, sia la stampa 3d e La produzione di stampaggio a iniezione continua a far progredire l'industria nel futuro.

Immaginate le innovazioni possibili applicando ogni tecnologia dove funziona meglio!

Il futuro della produzione

Credo fermamente che la produzione additiva e stampaggio a iniezione hanno entrambi un futuro brillante.

Come suggerito da John, la modellazione ibrida che combina entrambe le tecniche è il punto in cui le cose si fanno davvero interessanti.

Aspettatevi nuove sorprendenti applicazioni di:

• Stampi a iniezione stampati in 3d - che consentono di realizzare complessi canali di raffreddamento conformali, impossibili con la lavorazione CNC
• Resine per la stampa 3d stampate a iniezione - per una maggiore precisione e polimeri innovativi nella produzione additiva
• Agenti distaccanti per lo stampaggio a iniezione stampati in 3d - rivoluzionando le superfici nano-strutturate per ridurre le forze di distacco dallo stampo
• Processi secondari di stampa 3d - che consentono una finitura di massa come la tampografia di parti stampate a iniezione su basi specifiche per il cliente

E queste tecniche di crossover sono solo l'inizio...

La sinergia possibile quando si fondono aspetti dello stampaggio a iniezione e della stampa 3D rappresenta forse l'innovazione più interessante che il nostro settore vedrà negli anni a venire.

Dimenticatevi quindi di cercare di prevedere se la stampa 3D sostituirà completamente lo stampaggio a iniezione.

Il futuro è fatto di integrazione, non di spostamento.

Combinando entrambe le tecnologie, scopriremo la prossima rivoluzione produttiva.

La stampa 3d sostituirà lo stampaggio a iniezione?

Per concludere, la stampa 3D sta facendo passi da gigante per competere con lo stampaggio a iniezione su molti fronti.

Per la produzione di piccole serie, per i pezzi altamente complessi e per gli scenari di produzione a ponte, la stampa 3D probabilmente già supera oggi le capacità dello stampaggio a iniezione. Tuttavia, per la produzione di massa di miliardi di pezzi a basso costo e ad alta precisione, lo stampaggio a iniezione mantiene il predominio (per ora!).

Piuttosto che una contrapposizione tra i due metodi, prevedo strategie ibride in cui la stampa 3d e lo stampaggio ad iniezione complemento l'uno all'altro per gli anni a venire.

Quindi no: in base alle tendenze attuali, la stampa 3D non sostituirà di certo completamente lo stampaggio a iniezione nel prossimo futuro. Ma con le attuali traiettorie di sviluppo, tutto è possibile a lungo termine...