3D-geprinte mallen: De ultieme gids

3D-geprinte gereedschappen verwijzen naar het gebruik van additieve productietechnologie om op maat gemaakte gereedschappen te maken voor fabricage- of productieprocessen. Deze gereedschappen kunnen mallen, opspansystemen, matrijzen en andere apparaten zijn die helpen bij de productie van gedetailleerde onderdelen of voorwerpen.

Gereedschappen en matrijzen worden vaak geproduceerd met behulp van subtractieve productietechnieken, die tijdrovend en duur kunnen zijn, vooral voor complexe of eenmalige ontwerpen. 3D-printen maakt het echter mogelijk om in minder tijd en tegen lagere kosten op maat gemaakt gereedschap te maken, zonder in te leveren op precisie of kwaliteit.

3D-geprinte werktuigbouw is het proces waarbij 3D-printen wordt gebruikt om matrijzen, mallen, opspansystemen en ander gereedschap op maat te maken voor productie. Deze gereedschappen zijn ideaal voor het maken van complexe matrijzen die met conventionele productietechnieken moeilijk of onmogelijk te maken zijn.

Om een matrijs te maken met 3D-printen, wordt eerst een 3D CAD-model van het onderdeel gemaakt. Het G-codebestand wordt vervolgens naar de printer gestuurd om te worden afgedrukt. Zodra de mal 3D-geprint is, wordt hij getest en gebruikt in de productie door hem te vullen met materialen zoals plastic en metaal. Zodra het materiaal afkoelt en hard wordt, neemt het de vorm van de mal aan.

Dit proces is sneller en effectiever dan conventionele methoden voor matrijzenproductie, waarbij CNC-bewerking of handmatige productie wordt gebruikt. Het maakt ook een grotere aanpassing van matrijzen mogelijk en maakt de productie van gereedschapsonderdelen met dure bewerkingsprocessen overbodig.

Gieten is een productiewijze waarbij mallen worden gemaakt van vloeibaar materiaal. Het gietproces begint met het verhitten van een grondstof totdat deze vloeibaar wordt. De vloeistof wordt vervolgens in een mal gegoten die is gemaakt door 3D-printen of een andere methode. Wanneer het materiaal afkoelt en uithardt, neemt het de vorm van de mal aan.

Deze technologie wordt gebruikt om onderdelen van hoge kwaliteit te maken met complexe geometrieën en nauwe toleranties zonder dat er matrijzen nodig zijn. Mallen kunnen worden gebruikt voor verschillende materialen, waaronder kunststoffen, harsen, metalen en keramiek.

Bij spuitgieten wordt een gesmolten materiaal, meestal kunststof, in een aangepaste matrijs (in dit geval gemaakt door een 3D-printer) gespoten om een onderdeel of product met een specifieke vorm en grootte te maken.

Deze methode wordt meestal gebruikt in massaproductietoepassingen en kan fabrikanten helpen om een hoge mate van precisie en herhaalbaarheid te bereiken. Spuitgietproducten vereisen slechts minimale nabewerking en hebben vaak een betere oppervlaktekwaliteit dan andere spuitgietprocessen.

Het gepatenteerde Freeform Injection Moulding (FIM) proces maakt gebruik van ultrasnelle Nexa3D printers en xMOLD hars om spuitgietmatrijzen te printen die compatibel zijn met duizenden commercieel verkrijgbare spuitgietmaterialen, waaronder hoogwaardige versterkte grondstoffen. De mogelijkheid om te ontwerpen, itereren en valideren in uren in plaats van weken met eindproductiematerialen is van onschatbare waarde in elk productontwikkelingsproces.

Het FIM-proces produceert volledig afneembare matrijzen, wat echte ontwerpvrijheid biedt en tijdrovende ontwerp- en sprueafwegingen elimineert die normaal gesproken gepaard gaan met traditionele spuitgietprocessen. Je kunt snel matrijzen ontwerpen en afdrukken voor zeer complexe onderdelen, grondstoffen voor spuitgieten gebruiken en vervolgens de matrijs oplossen om de complexe vorm eronder te onthullen.

Materialen zoals titanium, aluminium, staal en kunststoffen kunnen worden gebruikt om matrijzen van verschillende complexiteit en precisie te maken. De materiaalkeuze hangt vaak af van de specifieke vereisten van het product, het type gietproces en het type 3D printtechnologie dat wordt gebruikt.

Harsen zijn het meest gebruikte materiaal voor 3D-printmallen. Ze kunnen hoogwaardige en nauwkeurige onderdelen produceren met verschillende eigenschappen, zoals hardheid, thermische weerstand, chemische weerstand en flexibiliteit. Deze onderdelen hebben ook minder nabewerking nodig, omdat 3D printen met hars fijnere details en een gladder oppervlak kan leveren dan andere 3D printtechnologieën.

De ideale gietmaterialen zijn xPEEK en xCERAMIC: twee harsen die extreem stijf en hittebestendig zijn en daarom geschikt voor prototypes en onderdelen voor eindgebruik. Harsen ontwikkeld door Addifab, een toonaangevende leverancier van spuitgietgereedschap, maken het zelfs mogelijk om matrijzen op te lossen om complexere geometrieën te maken.

3D-geprinte elastomeren zoals xFLEX475 kunnen worden gebruikt om siliconenachtige mallen te maken. Deze zeer flexibele materialen bieden een superieure slagvastheid in vergelijking met andere gietmaterialen. Ze zijn vaak ideaal voor toepassingen waar flexibiliteit vereist is, bijvoorbeeld voor omspuiten of rubberen onderdelen.

3D-geprinte gereedschappen voor de productie van matrijzen bieden verschillende voordelen ten opzichte van conventionele productietechnieken.

3D-geprint spuitgieten maakt de snelle productie van mallen en gereedschappen mogelijk, omdat bouwers meerdere onderdelen of hele samenstellingen tegelijk kunnen maken, waardoor het niet meer nodig is om materialen uit grotere blokken of platen te snijden of vorm te geven.

De Nexa3D XiP 3D-printer heeft bijvoorbeeld een bouwtijd van ongeveer 87 minuten, waardoor bouwers onderdelen tot tien keer sneller kunnen produceren dan met andere toonaangevende 3D-printers op de markt. Dit verkort de doorlooptijd van weken of maanden tot slechts een paar uur.

Omdat 3D-geprinte matrijzen ook klaar zijn voor gebruik zodra ze klaar zijn, kunnen productontwikkelingscycli worden verkort, waardoor prototypes en tests sneller kunnen worden uitgevoerd.

3D-geprinte tooling is meestal aanzienlijk goedkoper en vereist een kleinere investering in materiaal en arbeid. 3D-printen is een additief proces, terwijl bij subtractieve productie onderdelen worden gemaakt door materialen van een blok weg te snijden totdat de gewenste vorm is bereikt.

Additive manufacturing bouwt objecten laag voor laag op, wat resulteert in minder afval en minder behoefte aan materialen. Hierdoor kunnen bedrijven besparen op voorraadkosten door alleen essentiële onderdelen en producten te produceren. En resulteert erin dat fabrikanten hun productiekosten kunnen verlagen terwijl ze toch onderdelen van hoge kwaliteit produceren. Omdat deze gereedschappen in hoge mate aanpasbaar zijn en op aanvraag kunnen worden geprint, zijn ze bovendien ideaal voor korte productieruns en de productie van kleine aantallen.

Daarnaast zijn 3D-geprinte matrijsonderdelen extreem nauwkeurig dankzij de geavanceerde software en controlesystemen, waardoor een grotere nauwkeurigheid in de productie mogelijk is. Dit maakt 3D-geprinte matrijzen ideaal voor complexe onderdelen met nauwe toleranties of ingewikkelde details die anders moeilijk te realiseren zouden zijn met conventionele methoden.

Een hoogwaardige industriële 3D printer zoals de NXE400Pro heeft bijvoorbeeld een geïntegreerde, gepatenteerde Lubricant Sublayer Photo-Curing (LSPc®) technologie die de vereiste nauwkeurigheid en toleranties levert met een uitstekende oppervlakteafwerking. Met de LSPc® kleven de lagen niet aan elkaar tijdens de productie en zorgen ze voor nauwkeurigheid en toleranties en een uitstekende oppervlaktekwaliteit. Hierdoor is het ideaal voor de productie van gecompliceerde matrijzen en onderdelen met nauwe toleranties of fijne details.

De materialen die gebruikt worden bij 3D printen kunnen een betere oppervlakteafwerking bieden in vergelijking met machinaal bewerkt metaal, zodat er geen extra nabewerking of afwerking nodig is. Dit leidt ook tot een betere productkwaliteit en betere spuitgietprestaties.

Conventionele matrijzenbouwmethodes vereisen meerdere gereedschaps- en productiestappen, waardoor het proces complexer wordt en de doorlooptijd toeneemt. Traditionele productiemethoden zoals spuitgieten of machinale bewerking vereisen de productie van matrijzen of gereedschappen om grondstoffen om te zetten in afgewerkte producten. Dit proces kan enige tijd in beslag nemen en voegt een extra stap toe aan het productieproces.

3D-printen vermindert de behoefte aan gereedschap, omdat de printer het product rechtstreeks vanuit een CAD-bestand kan maken. 3D-printen maakt het mogelijk om in één stap matrijzen te maken, wat het productieproces kan vereenvoudigen en de efficiëntie kan verbeteren.

Met 3D-printen hebben ontwerpers en ingenieurs de vrijheid om nieuwe iteraties van prototypes te maken zonder te hoeven wachten op lange productiecycli of zich zorgen te maken over gereedschapskosten. Meerdere versies van een prototype kunnen gelijktijdig geproduceerd worden met één machine, waardoor snel testen, evalueren en aanpassen mogelijk wordt.

Naast deze flexibiliteit maakt 3D-printen ook de productie mogelijk van complexe geometrieën en ingewikkelde ontwerpen die niet realiseerbaar zijn met conventionele productiemethoden. Dit vermogen om snel innovatieve producten te ontwikkelen kan leiden tot een groter productsucces en een hogere klanttevredenheid.

Daarnaast biedt snel prototypen met 3D-printen verbeterde nauwkeurigheid en duurzaamheid van onderdelen, minder productieafval en de mogelijkheid om onderdelen te produceren voor eindgebruik.

Hoewel 3D-printen verschillende voordelen biedt ten opzichte van conventionele technieken om matrijzen te maken, zijn er nog steeds een aantal uitdagingen die overwonnen moeten worden. De grootste uitdagingen met 3D-geprinte mallen zijn onder andere

De mechanische eigenschappen van 3D-printmaterialen zijn niet altijd geschikt voor giettoepassingen, vooral niet voor processen met hoge temperaturen of hoge druk. Fabrikanten moeten zorgvuldig het juiste 3D printmateriaal en de juiste 3D printer kiezen voor hun toepassing.

Afhankelijk van het gebruikte materiaal en de printer kan nabewerking, zoals uitharden, polijsten en textureren, nodig zijn om de gewenste oppervlakteafwerking te verkrijgen. FDM printers vereisen bijvoorbeeld een veel geavanceerdere verwerking dan hars 3D printers. Hars 3D printers kunnen ook printen met een lage resolutie van 10 micron, wat veel fijner is dan de resolutie van filament 3D printers.

Hoewel 3D-geprinte mallen duurzaam kunnen zijn (vooral als ze gemaakt zijn van duurzame harsen of versterkt 3D-printmateriaal), gaan machinaal bewerkte metalen mallen uiteindelijk langer mee. Wanneer gebruikers honderdduizenden onderdelen spuitgieten, kan het daarom zinvol zijn om een machinaal bewerkte matrijs te gebruiken.

De grootte van de 3D printer kan de grootte van de mal die geprint kan worden beperken. Grote vormen kunnen grotere secties nodig hebben voor het afdrukken. Dit kan de doorlooptijd en kosten verhogen, omdat de onderdelen moeten worden geassembleerd en nabewerkt voordat ze klaar zijn voor gebruik.

De toepassing van 3D-geprinte matrijzen in verschillende industrieën, waaronder de auto-industrie, de medische industrie, elektronica en verpakkingsindustrie.

Een perfect voorbeeld van een 3D-geprinte matrijstoepassing is de ontwikkeling van voedselverpakkingen en -flessen. PepsiCo gebruikt bijvoorbeeld de NXE 400 3D printer en xPEEK147 materiaal om de ontwikkelingstijd van prototype tooling terug te brengen van 4 weken naar 48 uur, de kosten van prototype tooling terug te brengen van $10.000 naar $350 per matrijs en duurzame tooling te ontwikkelen waarmee meer dan 10.000 flessen kunnen worden geproduceerd, een kostenbesparing van 96%.

PepsiCo x Nexa3D

Wilson Sporting gebruikt ook 3D printtechnologie voor snelle prototypes. Dankzij Nexa3D’s grote printoppervlak en ultrasnelle LSPc® proces kan Wilsons onderzoeks- en ontwikkelingsgroep nu meerdere onderdelen tegelijk en snel produceren. Dit maakt meerdere ontwerpiteraties in een enkele printbatch mogelijk. Dankzij deze ontwikkeling kan het team in één dag een prototype maken, een proces dat voorheen maanden zou hebben geduurd.

“Omdat we zo veel sneller kunnen itereren, gereedschappen sneller kunnen printen dan we ze kunnen bewerken en een aantal stappen in het proces kunnen elimineren, kan ons R&D-team het zich veroorloven om fouten te maken. Dit helpt ons om onze time-to-market aanzienlijk te verkorten en stelt ons in staat om een snel en flexibel besluitvormingsproces voor het ontwerp te hebben.” –

Glen Mason

Manager Advanced Innovation/Industrialisation, DeMarini (een divisie van Wilson Sporting Goods)

Wilson Sportartikelen x Nexa3D

Een ander voorbeeld van een 3D-geprinte matrijstoepassing is het Freeform Injection Moulding (FIM) platform, dat de mogelijkheden van industrieel spuitgieten uitbreidt door supersnel 3D-printen op groot formaat. Het FIM-platform is ontstaan uit een samenwerking tussen Addifab, pionier op het gebied van 3D-geprinte gereedschappen, en Nexa3D. Het stelt gebruikers in staat om in slechts enkele uren complexe spuitgietmatrijzen additief te maken door de mogelijkheden van Addifab en NXE 400Pro te combineren.

De mallen zijn compatibel met de meeste thermoplastische materialen en kunnen zelfs worden opgelost. Dit maakt het mogelijk om complexe onderdelen te gieten die anders zeer moeilijk of zelfs onmogelijk te gieten zouden zijn met conventionele metalen gereedschappen.

3D-geprinte mallen zijn het meest effectief als de perfecte 3D-printtechnologie en materialen worden gebruikt. Daarom is het kiezen van de juiste 3D printer en het juiste materiaal belangrijk voor het succes van elk 3D geprint matrijzenproject.

Met een reeks geavanceerde functies en materialen bieden de ultrasnelle 3D printers van Nexa3D een perfecte oplossing voor elke 3D geprinte matrijsklus. Nexa3D 3D printers worden gekenmerkt door een ultrasnelle printsnelheid en een hoge printresolutie – waardoor ze de juiste keuze zijn voor efficiënt en effectief 3D geprint spuitgieten.

Bent u op zoek naar de beste 3D printoplossing voor uw project met 3D geprinte spuitgietproducten?

Bekijk onze materiaalgids en ontdek de verschillende materialen en eigenschappen die perfect zijn voor 3D-geprinte mallen.

Lees de gids.