Металлическая 3D-печать в производстве пресс-форм обычно ассоциируется с конформными каналами охлаждения, которые можно проложить вдоль сложной поверхности изделия. Китайская LiM Laser показывает еще одно применение технологии — создание непосредственно внутри пресс-формы пористых газопроницаемых участков. Они позволяют отводить воздух из полости формы во время литья пластмасс под давлением и могут заменить отдельные вставки из пористой стали.
Компания сообщает, что в третьем поколении разработанного ею процесса размер пор удалось довести до 0,04 мм, при этом структура поддерживает отвод газа в нескольких направлениях.
Зачем пресс-форме нужна вентиляция
При быстром заполнении пресс-формы расплавом находящийся внутри полости воздух должен куда-то выходить. Если газ оказывается заперт внутри формы, это может приводить к целому набору дефектов: неполному заполнению, пузырям, плохо сформированным линиям спая и ухудшению качества поверхности детали.
Один из способов решить эту проблему — использовать так называемую пористую, или газопроницаемую, сталь. Ее структура содержит систему микроскопических каналов, через которые газ способен выходить из формообразующей зоны.
При традиционном производстве такие материалы обычно получают методами порошковой металлургии и затем используют в виде отдельных вставок, которые устанавливают в местах, где особенно сложно организовать отвод воздуха. Для простых конструкций этого может быть достаточно, однако при сложной геометрии размещение вставок становится отдельной инженерной задачей.
Пористая и плотная структура в одной напечатанной детали
Подход LiM Laser заключается в том, чтобы формировать газопроницаемый участок одновременно с основной частью пресс-формы методом металлической 3D-печати.
За счет изменения параметров процесса в заданных областях можно получать различную структуру материала: основной объем остается плотным, а там, где требуется вентиляция, создается пористая зона. Таким образом, канал отвода газа становится частью самой конструкции.
Производитель называет свою разработку третьим поколением технологии газопроницаемой стали и указывает минимальный размер пор 0,04 мм. Также LiM Laser заявляет о возможности многонаправленного прохождения газа и об устранении проблем качества в переходной области между плотным и пористым материалом. По данным компании, это позволяет повысить выход годных изделий.
В отличие от установки отдельной пористой вставки, аддитивный подход дает инженеру значительно больше свободы в выборе формы и расположения вентиляционной области.
Пример: вентиляция непосредственно через поверхность формы
В одном из представленных LiM Laser примеров система отвода воздуха расположена в верхней части металлической пресс-формы.
На поверхности сформирован локальный пористый участок, соединенный с внутренней системой каналов. Во время литья находящийся в полости газ проходит через эту область и выводится наружу.
При этом пористая структура печатается вместе с окружающим плотным металлом, то есть устанавливать отдельный вентиляционный вкладыш после изготовления основной части формы не требуется.
Второй сценарий: газоассистованное формование
Еще интереснее второй пример компании. Здесь металлическая 3D-печать применяется уже не только для отвода газа.
LiM Laser изготовила пресс-форму для газоассистованного формования, в которой пористые слои расположены в нижней части ребер. Дополнительно в конструкцию устанавливаются металлические газопроводящие стержни, верхняя поверхность которых также выполнена пористой.
Во время формования через эти элементы к поверхности пластика подается газ под давлением. Он прижимает изделие к поверхности полости пресс-формы.
По данным разработчика, такая схема позволяет выровнять давление внутри газовых каналов, уменьшить внутренние напряжения и снизить риск появления усадочных дефектов на видимой поверхности пластиковой детали.
Почему здесь интересна именно металлическая 3D-печать
Само использование пористых материалов в пресс-формах нельзя назвать новой идеей. Главное отличие аддитивного подхода — возможность управлять геометрией газопроницаемой области практически независимо от внешней формы детали.
Это тот же принцип, благодаря которому 3D-печать получила распространение при изготовлении пресс-форм с конформным охлаждением. Каналы больше не обязаны состоять из прямых отверстий, которые возможно получить сверлением. Их можно расположить ближе к поверхности детали и провести по сложной пространственной траектории.
В случае вентиляции появляется еще одна степень свободы: проектировщик может задавать не только внутренние каналы, но и локальные участки материала с другой плотностью.
LiM Laser применяет эти возможности комплексно. В других проектах компании металлическая 3D-печать используется для производства пресс-форм с конформными системами охлаждения. Например, для автомобильной оснастки компания приводит пример детали размером 343 × 242 × 120 мм, напечатанной из инструментальной стали MS1 на системе LiM-X400M+. Производитель указывает, что конформная система позволила разместить охлаждающие каналы вдоль сложной геометрии формы.
Таким образом, одна и та же технология позволяет работать сразу с двумя проблемами литьевой оснастки: отводить тепло и управлять движением газа внутри формы.
От отдельных вставок — к функционально интегрированной оснастке
Для производства пресс-форм это, пожалуй, наиболее интересная часть разработки.
Преимущество металлической 3D-печати здесь заключается не столько в возможности изготовить форму сложной геометрии, сколько в объединении нескольких функций внутри одной металлической детали.
В одном построении потенциально можно сформировать плотные несущие области, конформные охлаждающие каналы, внутренние газовые каналы и пористые вентиляционные поверхности. Некоторые элементы, для которых при традиционном производстве потребовались бы отдельные операции, вставки и последующая сборка, становятся частью единой конструкции.
LiM Laser продолжает развивать такие решения именно для производства оснастки. В более поздних материалах компания также демонстрировала гибридное изготовление пресс-форм, при котором аддитивно выращивается только функционально сложная часть изделия на заранее обработанной металлической заготовке. Для позиционирования используется машинное зрение; заявленная компанией точность совмещения составляет до ±0,1 мм. Такой подход позволяет не печатать весь массив металла там, где это не требуется.
Для отрасли это показывает дальнейшее развитие давно знакомого применения металлической 3D-печати. Если первые проекты с аддитивной оснасткой в основном демонстрировали преимущества конформного охлаждения, то теперь функциональность напечатанной пресс-формы постепенно расширяется — вплоть до управления газовыми потоками непосредственно через структуру самого металла.
Источник: материалы LiM Laser / TSC Laser Technology Group.