Заменит ли 3d-печать литье под давлением?

Заменит ли 3d-печать литье под давлением, стало предметом жарких споров в последнее время. С развитием технологии 3d-печати некоторые утверждают, что это лишь вопрос времени, когда аддитивное производство заменит традиционное литье пластмасс под давлением.

В этом посте я проанализирую возможности обоих процессов, чтобы определить, действительно ли 3d-печать может навсегда заменить литье под давлением.

3D-печать и литье под давлением

Как обычный производитель литья пластмасс под давлениемЯ не обладаю обширными техническими знаниями о производственных процессах 3D-печати.

Поэтому я обратился к Джону Смиту, основателю компании ACME 3D Printing.

Он сказал мне: "За последние годы 3d-печать прошла долгий путь. Но литье под давлением по-прежнему имеет ряд ключевых преимуществ с точки зрения стоимости, качества и производственных мощностей".

В то время как 3d-печать отлично подходит для быстрого прототипирования и изготовления деталей на заказ, литье под давлением является королем, когда вам нужно 100 000+ одинаковых пластиковых изделий.

Однако есть признаки того, что 3d-печать может скоро догнать их:

1. Масштабируемость - Ведущие компании, специализирующиеся на 3d-печати, такие как Carbon, разрабатывают системы, способные производить продукцию, конкурирующую с литьем под давлением.
2. Затраты - Стоимость 3d-печати в расчете на одну деталь падает. А если учесть накладные расходы на системы литья под давлением, то точка пересечения становится все ближе.
3. Материалы - Новые передовые материалы для 3d-печати по своим механическим свойствам не уступают пластмассам для литья под давлением.
4. Сложность конструкции - 3d-печать справляется со сложными геометрическими формами, с которыми литье под давлением просто не может сравниться.

Поэтому пока литье под давлением сохраняет свое преимущество, но развитие технологий 3d-печати может заменить его в будущем.

Сравнение литья под давлением и 3d-печати

Чтобы получить сбалансированную картину, давайте сравним некоторые ключевые характеристики между литьем под давлением и 3d-печатью:

Масштабируемость

Литье под давлением - это король, когда речь идет о масштабе. Весь процесс оптимизирован для серийного производства - вы можете легко создавать сотни тысяч одинаковых компонентов.

Традиционно 3d-печать была сферой прототипов и небольших партий. Но в настоящее время эта сфера развивается...

Возьмите системы Multi Jet Fusion от HP. Их рабочая зона размером 380 x 284 x 380 мм позволяет производить до 80 000 см3 в час, что не намного меньше, чем у некоторых установок для литья под давлением.

А огромный объем сборки Carbon 190x315x330 мм позволяет создавать 500 000+ деталей в год с помощью сверхбыстрого процесса DLS.

Поэтому пока литье под давлением выигрывает по масштабу, но некоторые системы 3d-печати догоняют его.

Время цикла

Время цикла измеряет, сколько времени требуется для создания каждой детали. А коэффициенты литья под давлением трудно превзойти.

Для простых деталей литье под давлением может выдавать 20+ деталей в минуту на некоторых высокотехнологичных системах.

Для сравнения, давайте посмотрим на Origin One от Origin:

• 165 частей в день
• Работа в течение 24 часов = 165 деталей
• 60 минут в час = 1 деталь за 22 минуты

Таким образом, для базовых компонентов преимущество по времени цикла отдается литью под давлением. Однако и здесь сложность деталей играет свою роль...

Сложность конструкции

Когда речь идет о сложных геометрических формах, 3d-печать имеет явное преимущество.

Процесс послойной сборки, используемый в 3d-печати, позволяет создавать практически любые формы.

Для литья под давлением требуются пресс-формы, поэтому дизайн деталей должен позволять легко выпускать готовые изделия.

Подрезы, негативные элементы и сверхтонкие детали просто не подойдут. А если и получится, то придется раскошелиться на многокомпонентные пресс-формы и процессы очистки после формовки.

Сняв эти ограничения, 3d-печать позволяет создавать предметы, недостижимые иным способом.

Так что для передовых деталей, использующих сложные децентрализованные решетки и замысловатые полые формы, 3d-печать выигрывает.

Стоимость детали

Теперь, пожалуй, самый важный фактор - сколько стоит производство каждой детали?

Из-за высокой стоимости оснастки литье под давлением становится экономически выгодным только при больших объемах - обычно 10 000+. Для коротких партий затраты непомерно высоки.

Однако 3d-печать имеет гораздо более низкую точку безубыточности. Фактически, она может предложить более высокую экономическую эффективность для партий в 50-5 000 деталей.

Допустим, вам нужно 500 небольших виджетов в год.

• Литье под давлением - Обработка пресс-формы обойдется в $10-20 тысяч. Затем вам нужно купить машину для литья под давлением (десятки тысяч долларов) и приобрести пластиковые гранулы.
• 3D-печать - Никаких затрат на оснастку. Просто спроектируйте деталь и отправьте ее в производственное бюро 3d-печати, например Protolabs.

Даже если стоимость 3d-печати в расчете на единицу продукции будет выше, общая сумма расходов, скорее всего, будет в пользу 3d-печати для таких средних партий.

А с учетом того, что передовые аддитивные технологии, такие как CLIP, снижают стоимость сырья, точка пересечения, где 3d-печать выигрывает, становится еще меньше.

Отделка поверхности

Литье под давлением, даже без полировки пресс-форм, позволяет добиться чрезвычайно гладкой поверхности до 0,5 Ra и ниже.

Процесс наплавления слоев при 3d-печати неизбежно приводит к появлению видимых ступенчатых линий на наклонных поверхностях. Наименьшая высота коммерческого слоя, составляющая около 0,025 мм, оставляет зернистую текстуру.

Поэтому детали, требующие сверхтонкой обработки поверхности, такие как линзы или отражающая оптика, в настоящее время не могут использовать возможности 3d-печати.

При этом такие методы, как химическое сглаживание, применяемое после процесса сборки, могут значительно уменьшить видимость слоев.

Точность и допуски

Опять же, литье под давлением имеет преимущество перед большинством видов 3d-печати, когда требуются допуски менее 50 микрон.

Металлические пресс-формы с механической обработкой позволяют получать детали с точностью ±0,005 мм (±0,0002″). Кроме того, повторяемость от одного компонента к другому выигрывает у аддитивного производства.

Однако некоторые методы 3d-печати позволяют добиться и тонких деталей. Например, CLIP может похвастаться точностью до ~10 мкм, а струйное нанесение связующего (~15 мкм) также впечатляет.

Таким образом, хотя литье под давлением значительно превосходит 3d-печать по сверхвысокой точности, некоторые аддитивные процессы могут соответствовать более простой точности литья под давлением.

Выбор материала

Благодаря наличию более 30 000 марок, литье под давлением предлагает самый широкий выбор материалов. Стандартные смолы включают в себя PP, PE, POM, PC и другие, часто модифицированные с помощью специальных добавок.

Полимеров для 3d-печати в настоящее время насчитывается около 100. Но регулярно появляются новые формулы - высокотемпературные PEEK и PEKK демонстрируют потенциал аддитивного производства.

Ассортимент включает в себя гибкие нити TPU для FDM, смолу somos для стеролитографии и жидкие полимеры, оптимизированные для CLIP. Выбор материалов расширяется с каждым годом.

Еще больше расширяют возможности такие композиты, как непрерывное углеродное волокно, смешанное с PEKK и PEEK, которые повышают механические характеристики.

Таким образом, литье под давлением обеспечивает самый широкий выбор материалов. Но с развитием аддитивных полимеров и композитов, которые сокращают разрыв, 3d-печать может догнать их в ближайшее время.

Вытеснит ли 3D-печать литье под давлением?

В ближайшем будущем я не вижу, чтобы 3d-печать полностью вытеснила литье под давлением. И вот почему:

Миллиарды деталей

Для сверхвысоких объемов производства (миллиарды деталей в год) аддитивное производство пока не имеет конкурентов.

Ведущие системы от Carbon и HP печатают в лучшем случае сотни тысяч компонентов в год.

Однако заводы в Китае выпускают множество млн деталей ежедневно на десятках тысяч термопластавтоматов.

Поэтому, несмотря на достижения, литье под давлением в огромных масштабах для деталей массового спроса остается непревзойденным.

Нишевые приложения

Некоторые области применения зависят от свойств, которые в настоящее время можно получить только с помощью литья под давлением.

Например, с точки зрения Джона, медицинские компоненты, в которых используются специализированные смолы, сложно воссоздать с помощью 3d-печати.

А оптические линзы, достигающие значений Аббе, возможных только при использовании литьевых акрилов и поликарбонатов, пока не могут перейти на аддитивное производство.

Таким образом, специализированное литье под давлением, несомненно, все еще служит критически важным нишам, которые развивающаяся 3d-печать еще не смогла повторить.

Вездесущая цепь поставок

Литье под давлением - это обширная, укоренившаяся экосистема. От мощностей прессов до надежных цепочек поставок материалов и вторичной переработки.

Аддитивное производство пока не может похвастаться масштабной инфраструктурой. Узкие места в поставках принтеров, смол, отделочных материалов и контроля деталей ограничивают темпы развития.

Нельзя сказать, что экосистема цепочек поставок не развивается быстро. Но она все еще на десятилетия отстает от сетей литья под давлением, созданных почти за 100 лет.

Поэтому до тех пор, пока каналы сбыта полимерных материалов и производственные мощности систем не расширятся в геометрической прогрессии, литье под давлением сохранит доминирующее положение в цепочке поставок.

Вердикт: Сосуществование, а не вытеснение

После сравнения ключевых показателей масштаба, стоимости, скорости, качества и возможностей вывод очевиден.

В 2024 году и в ближайшем будущем 3d-печать абсолютно не полностью заменить литье под давлением.

Две производственные платформы дополняют друг друга.

Лучше всего об этом говорит Джон:

"3d-печать позволяет создавать новые конструкции, невозможные при литье под давлением. А аддитивные технологии обеспечивают большую гибкость в объемах производства".

"Но для массового производства миллиардов высококачественных деталей, используя устоявшиеся материалы и цепочки поставок, литье под давлением по-прежнему остается главным".

Поэтому вместо того, чтобы рассматривать аддитивные технологии как узурпацию традиционных методов, лучше признать сильные стороны каждой из них.

С этой точки зрения, и 3d-печать и Производство литья под давлением продолжает развивать промышленность и в будущем.

Только представьте, какие инновации можно получить, применяя каждую технологию там, где она лучше всего работает!

Будущее производства

Я твердо убежден, что аддитивное производство и У обоих видов литья под давлением большое будущее.

Как предположил Джон, гибридное моделирование, сочетающее обе техники, - вот где становится по-настоящему интересно.

Ожидайте новых поразительных применений:

• Пресс-формы для литья, напечатанные методом 3d-печати, позволяют создавать сложные конформные каналы охлаждения, невозможные при обработке на станках с ЧПУ
• Смолы для 3d-печати методом литья под давлением - повышение точности и внедрение инновационных полимеров в аддитивное производство
• Разделительные агенты для литья под давлением, напечатанные методом 3d-печати, - революционная разработка наноструктурированных поверхностей для сокращения усилий по размыканию формы
• Вторичные процессы 3d-печати - возможность массовой обработки, например, тампонной печати литых под давлением деталей по индивидуальному заказу

И эти кроссоверные техники - только начало...

Синергия, возможная при объединении аспектов литья под давлением и 3d-печати, возможно, представляет собой наиболее захватывающие инновации, которые наша промышленность увидит в ближайшие годы.

Поэтому забудьте о попытках предсказать, заменит ли 3d-печать литье под давлением.

Будущее - это интеграция, а не вытеснение.

Комбинируя обе технологии, мы откроем следующую революцию в производстве.

Заменит ли 3d-печать литье под давлением?

В заключение следует отметить, что 3d-печать делает большие успехи, конкурируя с литьем под давлением по многим направлениям.

Для мелкосерийного производства, изготовления деталей высокой сложности и мостовых производств 3d-печать, скорее всего, не подойдет. уже сегодня превосходит возможности литья под давлением. Однако для массового производства миллиардов недорогих и высокоточных деталей литье под давлением сохраняет свое превосходство (пока!).

Вместо противостояния двух методов, я предвижу гибридные стратегии, где 3d-печать и литье под давлением дополнение друг друга на долгие годы.

Так что нет - исходя из текущих тенденций, 3d-печать, конечно, не заменит литье под давлением в обозримом будущем. Но при нынешних траекториях развития в долгосрочной перспективе возможно все...