Использование 3d печати для создания пользовательских форм для приложений литья под давлением смолы
Эволюция формования плесени в формовании переноса смолы
Литье под давлением смолы (RTM) уже давно является основным продуктом в композитовой промышленности для производства высокопрочных, легких деталей, используемых в аэрокосмической, автомобильной, морской и спортивной продукции. Процесс включает в себя размещение предварительной формы сухого волокна в закрытую форму, впрыскивание жидкой смолы под давлением и отверждение детали для достижения твердого композита. Традиционно формы для RTM обрабатываются из алюминия или стали с использованием процессов ЧПУ, что может занять недели и стоить десятки тысяч долларов. Эти первоначальные инвестиции делают RTM возможным только для средних и высоких объемов производства. Однако рост ] аддитивного производства фундаментально изменил это уравнение. Используя 3D-печать для создания пользовательских форм , производители могут резко сократить время и затраты на изготовление подложек, обеспечивая при этом геометрию, которая невозможна при обычной обработке. В этой статье рассматриваются преимущества, материалы, соображения дизайна и практические рабочие процессы для интеграции 3D-печатных форм в приложения R
Преимущества 3D-печатных форм для RTM
Переход от обработанных металлических форм к 3D-печатным полимерным формам приносит множество преимуществ, которые особенно привлекательны для прототипирования, производства малообъемных и сложных деталей.
Эффективность затрат
Обработка стальной или алюминиевой формы требует значительных материальных отходов, специализированной оснастки и квалифицированной рабочей силы. 3D-печатная форма использует только необходимый материал, часто за небольшую часть стоимости. Например, среднеразмерная форма RTM, которая может стоить от 10 000 до 20 000 долларов США для станка с ЧПУ, может быть напечатана в 3D-печати менее чем за 500 долларов США на нити или смоле. Это снижение затрат демократизирует RTM, позволяя небольшим магазинам и исследователям производить композитные прототипы без запретительных бюджетов на оснастку.
Скорость и быстрая итерация
Традиционное изготовление пресс-формы может занять от четырех до шести недель. При 3D-печати одна и та же пресс-форма может быть спроектирована, напечатана и постобработана в течение нескольких дней. Когда требуются изменения дизайна - обычное явление во время разработки продукта - новая форма может быть напечатана за одну ночь. Эта быстрая итерация ускоряет цикл проектирования-строительства-испытаний, позволяя инженерам быстро оптимизировать геометрию деталей, ориентацию волокон и характеристики потока смолы. Скорость особенно важна в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, где сроки разработки сжаты.
Дизайн свободы и сложности
Обработка с ЧПУ накладывает ограничения: внутренние каналы должны быть пробурены снаружи, острые углы сложны, а подрезы требуют сложных многочастных форм. 3D-печать устраняет эти ограничения. Конструкторы могут включать конформные охлаждающие каналы для контроля температуры, сложные пути вентиляции и даже интегрированные системы распределения смолы непосредственно в форму. Сложные геометрии, такие как решетки для снижения веса или текстурированные поверхности для улучшенного внешнего вида деталей, достижимы с легкостью. Эта свобода позволяет инженерам раздвинуть границы конструкции композитных деталей.
Низкообъемное и заказное производство
Для серийных запусков менее 1000 деталей, 3D-печатные формы часто являются наиболее экономичным выбором. Они также идеально подходят для производства , так как заменяют панели для старинных автомобилей, медицинских протезов или специальных аэрокосмических компонентов. Возможность быстро адаптировать дизайн формы к каждой уникальной детали устраняет необходимость в дорогостоящем хранении и обслуживании твердых инструментов.
Выбор материала для 3D-печатных форм RTM
Выбор материала для 3D-печати напрямую влияет на долговечность формы, качество поверхности и совместимость с системой смолы. Не все материалы подходят для давлений и температур, встречающихся во время RTM. Ниже приведены наиболее распространенные категории.
Термопластические нити (ABS, PETG, Nylon)
ABS предлагает хороший баланс прочности, термостойкости (до ~80-90 °C) и простоту постобработки. Это популярный выбор для прототипирования пресс-форм, которые будут использоваться с эпоксидными смолами комнатной температуры. PETG обеспечивает лучшую химическую стойкость, чем ABS, и менее подвержен деформации, что делает его пригодным для пресс-форм, подвергающихся воздействию агрессивных составов смол. Нилон (особенно заполненные варианты, такие как Nylon 12 или Nylon 6/6) предлагает более высокую прочность на растяжение и термостабильность (до 150°C), но он требует тщательной сушки и часто нагреваемой камеры для надежной печати. Нилоновые пресс-формы могут выдерживать несколько циклов использования, если они должным образом запечатаны.
Фотополимерные смолы (SLA/DLP)
Стереолитография (SLA) и цифровые принтеры обработки света (DLP) используют УФ-отверждаемые смолы , которые производят высокодетализированные, гладкие поверхности, идеальные для форм, требующих тонкого разрешения характеристик. Фотополимеры инженерного класса, такие как фотополимеры из Formlabs (Rigid 10K Resin) или Loctite (3D IND405), могут достигать температуры отклонения тепла выше 200 ° C. Эти материалы отлично подходят для форм с высокой толерантностью и могут производить детали с оптическим качеством отделки. Однако они, как правило, дороже, чем термопластики, и могут стать хрупкими с течением времени, если не обрабатываться должным образом.
Высокотемпературные и композитные нити
Для требовательных процессов RTM, в которых используются высокотемпературные смолы (например, фенольные или цианатные эфирные системы), доступны специализированные нити, такие как PEEK, PEKK или ULTEM (полиэфиримид). Эти материалы выдерживают непрерывные температуры более 150°C и обеспечивают отличную химическую стойкость. Кроме того, композитные нити, которые включают короткие углеродные волокна или стекловолокна (например, углерод-волокно-укрепляемый нейлон) обеспечивают повышенную жесткость и стабильность размеров. Такие материалы могут уменьшить отклонение формы под давлением впрыска и улучшить теплообмен во время отверждения.
Соответствие Resin Compatibility
Перед выбором материала, протестируйте его с помощью конкретной системы смолы, которую вы планируете использовать. Некоторые смолы содержат растворители (например, стирол в полиэфирных смолах), которые могут атаковать определенные термопласты. Уплотнение поверхности формы с совместимым агентом высвобождения или эпоксидным покрытием часто необходимо для предотвращения проникновения смолы и продления срока службы формы. Всегда проверяйте температуру перехода стеклообразного материала (Tg) печатного материала против максимальной экзотермической температуры отверждающей смолы.
Дизайн-соображения и лучшие практики
Проектирование 3D-печатной формы RTM требует больше, чем просто масштабирование конструкции металлической формы. Следует учитывать уникальные свойства аддитивного производства - анизотропную прочность, адгезию слоя и шероховатость поверхности.
Толщина стен и структурная целостность
Плесень должна выдерживать давление зажима (часто 1-5 бар) и давление впрыска смолы (до 10 бар). Недостаточная толщина стенки приводит к отклонению или растрескиванию. Хорошее эмпирическое правило заключается в поддержании минимальной толщины стенки 5-10 мм [FLT: 1] для термопластов, в зависимости от размера детали. Добавление внутренней ребра или соты наполнителя (70-90% плотность) может укрепить форму без чрезмерного использования материала. Для более крупных форм рассмотрите печать в нескольких секциях и болтов их вместе, или используя металлическую раму для поддержки.
Углы и разделительные линии
Как и любая закрытая форма, 3D-печатные формы RTM требуют углов рисунка (обычно 1-3 градуса), чтобы обеспечить легкое демольдинг. Поскольку 3D-печать может создавать подрезы, заманчиво их проектировать, но они будут ловить отвержденную часть. Планируйте линию разреза тщательно. Для сложных частей вам может понадобиться многочастная форма (две половины плюс слайды или ядра). 3D-печать превосходит создание этих сложных геометрий с расщепленной формой с точными функциями выравнивания, такими как штифты для дюбеля и розетки.
Поверхностный отделочный и постпроцессорный
На напечатанной поверхности часто присутствуют слоистые линии, которые могут передаваться в составную часть, требуя постобработки. Методы включают в себя песчаный с постепенно более тонкой крупой, сглаживание паров (для ABS) или нанесение тонкого слоя эпоксидного грунтовочного или полиэфирного наполнителя. Для высокоглянцевой отделки плесень может быть отполирована после нанесения покрытия. Альтернативно, печать с помощью SLA-смолы дает гладкую поверхность прямо с принтера. Помните, что любое несовершенство поверхности будет отражено на конечной составной части.
Термическое управление и вентиляция
Во время инфузии смолы воздух, захваченный в полости плесени, может вызывать пустоты. 3D-печать позволяет проектировать интегрированные каналы вентиляции в высоких точках полости. Эти каналы могут быть небольшими (0,5-1 мм) и подключаться к источнику вакуума, если это необходимо. Кроме того, учитывайте теплопроводность материала плесени. Пластики являются изоляторами, поэтому отверждение может быть медленнее, чем с алюминиевыми формами. Конформные каналы нагрева (для циркулирующей горячей воды или масла) могут быть напечатаны в плесени для ускорения отверждения и улучшения однородности температуры.
Интеграция вставок и каналов
Для изготовления пресс-форм может потребоваться встроить металлические вставки для резьбовых соединений, эжекторных штифтов или датчиков температуры. Они могут быть размещены во время печати, приостановив работу или после печати и высыпавшись в карманы. 3D-печать также позволяет включать внутренние распределительные сети смолы , которые питают полость от нескольких точек впрыска, оптимизируя время заполнения и уменьшая сухие пятна.
Пошаговый рабочий процесс для 3D-печатных форм RTM
Внедрение этой технологии требует системного подхода. Ниже приводится типичный рабочий процесс от проектирования до готовой составной части.
CAD дизайн и оптимизация
Начните с моделирования желаемой составной части в программе CAD (SolidWorks, Fusion 360 и т. Д.). Создайте полость формы, вычитая геометрию детали из твердого блока. Добавьте углы наброска, филе и линии разбиения. Разработайте половины формы с функциями выравнивания, входом смолы и портами вентиляции. Экспортируйте как STL или файл 3MF для нарезки . Используйте netfabb или аналогичное программное обеспечение для исправления любых ошибок сетки.
Параметры нарезки и печати
Для FDM-принтеров выберите высоту слоя 0,15-0,25 мм для баланса скорости и качества поверхности. Используйте диаметр сопла 0,6 мм или больше для более быстрой печати наполнителя. Установите наполнение по меньшей мере на 50% (гироид или треугольный рисунок). Убедитесь, что ориентация сборки минимизирует свесы на критических поверхностях пресс-формы - в идеале полость лица должна быть напечатана плоской или с минимальными опорами. Для SLA ориентируйте пресс-форму на 45 градусов, чтобы уменьшить силы всасывания и поддержать рубцевание на важных лицах.
Печать и отверждение
Для FDM, монитор для деформации; используйте нагретую кровать и корпус. После печати, удалите опоры и очистите детали SLA изопропиловым спиртом, затем после вылечить под УФ-светом на инструкции производителя смолы. Позвольте FDM-печатям медленно охлаждаться , чтобы снять внутренние напряжения.
После обработки и подготовки плесени
Песок полости поверхностей до желаемой гладкости. Заполните любые слои линии или зазоры с высокотемпературным эпоксидным наполнителем. Примените пресс-форму агента выпуска (например, полупостоянный выпуск или PVA) для предотвращения адгезии смолы. Для высокотемпературных процессов можно нанести тонкий слой инструментальной гелевой оболочки. Установите любые вставки. Испытайте сборку, чтобы обеспечить идеальное спаривание двух половинок без зазоров.
RTM инфузии и демольдинг
Поместите преформу сухого волокна (например, углеродное волокно, стекло или арамиду) в полость плесени. Закройте форму и примените давление зажима. Подключите впуск смолы к горшку или насосу давления. Введите смолу с контролируемой скоростью потока (обычно 0,5-2 бар). Монитор вентиляции для потока смолы; закрывайте вентиляционные отверстия по мере их заполнения. Разрешите детали отверждать в соответствии со спецификациями смолы. Демоль путем разделения половин и использования мягкой посторонних или сжатого воздуха. Осмотрите составную часть и форму для износа. Большинство форм с 3D-печатью можно повторно использовать в течение нескольких циклов (5-50 в зависимости от материала и давления) до того, как деградация поверхности потребует повторного покрытия или ремейка.
Реальные приложения и тематические исследования
Комбинация 3D-печати и RTM была принята во многих секторах. В аэрокосмической компаниях, таких как Airbus, использовали 3D-печатные формы для производства небольших кронштейнов и воздуховодов для спутниковых компонентов, сократив стоимость инструмента на 70% и время выполнения на 80%. , гоночные команды печатают формы для индивидуальных воздухозаборников и панелей кузова, итерируя конструкции между гонками. морская промышленность использует этот подход для одноразовых ремонтных патчей или специализированной судовой фитинги. Производители медицинских устройств создают индивидуальные формы для пациентов для ортопедических и протезных составных частей. Заметное тематическое исследование из Университета Южной Калифорнии продемонстрировало форму PETG для эпоксидного / углеродного волокна RTM, которая достигла растягивающих свойств, сопоставимых с частями, изготовленными из алюминиевых форм.
Проблемы и ограничения
Несмотря на преимущества, формы RTM с 3D-печатью имеют ограничения. Способность к давлению ниже, чем металлические формы; они лучше всего подходят для инъекций под давлением от низкого до среднего (2-5 бар). Высокое давление RTM (более 10 бар) скорее всего, будет трескать или деформировать пластиковые формы. Качество поверхности часто требует ручной постобработки, которая может быть отнимающей много времени. Продолжительность жизни пресс-формы ограничена — после повторного теплового и механического циклирования пластик может ухудшаться, особенно вблизи точек впрыска. Кроме того, теплопроводность плоха, что может продлить время отверждения. По этим причинам, 3D-печатные формы обычно используются для прототипирования, мостовой оснастки или производства большого объема, а не для производства большого объема.
Будущие тенденции и события
Область быстро развивается. Широкоформатные 3D-принтеры (например, Big Area Additive Manufacturing) теперь могут печатать пресс-формы размером до нескольких метров, открывая приложения в корпусах лодок и лопастях ветряных турбин. Появляется гибридное производство , которое сочетает 3D-печать с отделкой ЧПУ: печатается пресс-форма с почти чистой формой, затем обрабатывается на критических поверхностях для достижения жестких допусков. высокопроизводительные материалы , такие как термопластики с стекловолокном и керамические смолы, раздвигают границы температуры и давления. Кроме того, программное обеспечение для моделирования потока смолы и теплопередачи в печатных пресс-формах перед печатью, уменьшая пробные и ошибочные затраты. Поскольку затраты продолжают падать и свойства материала улучшаются, 3D-печать станет стандартным инструментом в наборе инструментов для
Заключение
Интеграция 3D-печати в процесс изготовления формы RTM обеспечивает ощутимые преимущества в сокращении затрат, скорости, свободе проектирования и настройке. Хотя она не является заменой металлической оснастки в каждом сценарии, она превосходит в прототипировании, производстве небольших объемов и сложных геометрических приложениях. Тщательно выбирая правильный типографский материал, оптимизируя дизайн формы для аддитивного производства и следуя дисциплинированному рабочему процессу, инженеры и производители могут производить высококачественные композиционные детали быстрее и экономичнее, чем когда-либо прежде. По мере того, как технологии аддитивного производства продолжают созревать, границы того, что возможно с 3D-печатными формами, будут только расширяться, что делает эту важную технику для современного композитного производства.
Для дальнейшего чтения изучите ресурсы из CompositesWorld по параметрам процесса RTM и Formlabs' Guide to 3D-printed molds for composites.