Spuitgieten is veruit de meest gebruikte methode voor de massaproductie van kunststof onderdelen. De techniek leent zich uitermate voor het snel produceren van grote aantallen identieke onderdelen met krappe toleranties. De hoge initiële instelkosten die gepaard gaan met spuitgieten maken de technologie echter alleen bij grote volumes rendabel. Een typische run kan de productie van duizenden of soms miljoenen componenten met zich meebrengen. Die hoge startkosten voor een metalen matrijs zijn tegenwoordig steeds vaker een issue in de spuitgietindustrie, onder andere omwille van de steeds kleiner wordende series. Die zijn financieel vaak niet haalbaar vanwege de hoge kosten voor de productie van de gereedschappen.

Bij beperkte seriegroottes

Additive manufacturing

Wanneer het probleem zich stelt omtrent de hoge kosten voor de productie van gereedschappen, kan 3D-printen hierop een mogelijk antwoord zijn. In het verleden werd additive manufacturing vooral gebruikt in het ontwerpproces. De techniek werd ingezet om prototypes te maken van componenten die later gespuitgiet zouden worden. Tegenwoordig worden printers ook vaak ingezet in het productieproces, maar het direct printen van onderdelen is desalniettemin (nog) geen vervanging voor het spuitgieten van datzelfde onderdeel. Zo verschillen onder andere de fysische eigenschappen van een 3D-geprint onderdeel aanzienlijk van die van spuitgietonderdelen.

3D-geprinte kunststof inserts

De oplossing is 3D-geprinte matrijsinzetstukken of inserts. Tegenwoordig kunnen 3D-printers dankzij technologische ontwikkelingen op het gebied van printernauwkeurigheid, oppervlakteafwerking en materialen die matrijsdelen ook direct produceren. 3D-printen (vaak middels specifieke kunststoffen ontwikkeld voor het printen van matrijzen) stelt in staat om op korte tijd voor enkele honderden euro’s een low-run-matrijs te maken, geschikt voor reeksen van tien tot een honderdtal onderdelen. Boven is de matrijsinsert, afhankelijk van de grootte van de componenten, vaak klaar binnen enkele uren. Als gevolg daarvan zijn deze matrijsinzetstukken veel sneller en voordeliger ontworpen dan hun klassieke staalconcurrenten.

Voordelen

Lagere kosten dankzij 3D-gedrukte matrijsinzetstukken en de snelle uitvoering van modificaties zijn de doorslaggevende voordelen voor de gebruikers. Een groot nadeel is echter de levensduur van deze matrijzen. De hoge temperaturen en drukken hebben een grote invloed op de matrijsinzetstukken en daardoor neemt het aantal shots die mogelijk worden met dergelijke geprinte kunststof inzetstukken af: de levensduur van geprinte kunststof matrijzen is vaak beperkt tot enkele honderden stuks.

© SEIDO Systems / Stratasys

Bij hogere volumes

Geprinte matrijsinzetstukken in metaal

Bij grotere series en gemiddelde aantallen zijn veel gebruikers op zoek naar een duurzamere oplossing. Die wordt geboden door het gebruik van geprinte metalen matrijsinserts. Selective Laser Melting (SLM), ook gekend als Direct Metal Laser Sintering (DMLS), is de belangrijkste technologie die wordt gebruikt om deze gereedschapskernen te printen. Het is een ‘poederbedtechnologie’ waarbij een laagje metaalpoeder (bijvoorbeeld titanium, gereedschapsstaal, rvs of aluminium) door een laser gecontroleerd op een vorig laagje gebonden wordt door middel van smelten of sinteren. Hierdoor ontstaat uiteindelijk een volledig object in 3D. Dankzij dit proces kunnen ingenieurs het ontwerp van de koelkanalen optimaliseren. Dat is belangrijk, want spuitgieten is een proces waarbij het creëren van componenten door het injecteren onder druk gesmolten materiaal in een matrijs plaatsvindt. Het materiaal vult de holle holtes van de mal en stolt wanneer het afkoelt in de vorm van de matrijs. Dat afkoelen is cruciaal voor de kwaliteit van de geproduceerde component.

Verspaning

De klassieke manieren om matrijsinserts te produceren (via subtractieve methoden) hebben verschillende beperkingen als het gaat om het optimaliseren van kanalen voor koeling. De meerderheid van de spuitgietgereedschappen en matrijzen zijn gemaakt met koelkanalen die zijn geboord of gefreesd uit een blok staal. Het koude water stroomt door deze kanalen om de kern te koelen en hitte uit het plastic te onttrekken. Nochtans is de doeltreffendheid van die methode beperkt wanneer er een complexe vorm is die moet worden gevormd, aangezien traditioneel geboorde kanalen slechts een rechte lijn kunnen volgen, wat de afstand tussen de holte en het koelkanaal vergroot. Het resultaat is een ongelijkmatige warmteafvoer in het gereedschap en ongelijkmatige temperatuurniveaus op het caviteitsoppervlak. Deze toestand kan ook leiden tot een ongelijkmatige afkoeling die interne spanningen veroorzaakt. Deze spanningen kunnen op hun beurt leiden tot kromtrekken (wat dan weer leidt tot een hogere uitvalsnelheid).

‘Conformal cooling’ als magisch woord

De praktijk van ‘conformal cooling’ overwint deze beperking. De vormvrijheid van de SLM-technologie laat toe onderdelen te printen met zeer complexe en gedetailleerde interne koelkanalen. Deze kunnen per profiel specifiek ontworpen worden om een zo efficiënt mogelijke warmte-afname te garanderen, zeker wanneer ze de vorm en contouren van het onderdeel nauwlettend volgen (zodanig dat ze zich ‘conformeren’ aan elke vorm), terwijl ze dicht bij de binnenwanden van het gereedschap blijven voor meer efficiëntie. De integratie van deze conforme koelkanalen van quasi elke geometrie denkbaar geeft de gereedschapsontwerper een unieke flexibiliteit wat betreft de temperatuurregeling van de gereedschappen.

Voordelen

Wanneer men de temperatuur in de matrijs zo optimaal mogelijk kan controleren, brengt dat twee voordelen met zich mee:

• Enerzijds verbetert het de processnelheid, omdat men de objecten sneller kan koelen.
• Anderzijds tracht men het aantal mislukte onderdelen te verminderen, door met een hogere en gelijkmatiger verdeelde temperatuur een betere oppervlaktekwaliteit na te streven.

Hoe beter die kwaliteit, hoe minder de onderdelen kromtrekken (waardoor er minder mislukte exemplaren worden weggegooid). Door het voorzien van conforme koeling kunnen de koelprestaties in sommige gevallen tot 40% verbeteren – wat op zijn beurt ook zorgt voor een reductie in de cyclustijd van meer dan 10%.

Nabewerking

De oppervlakteafwerking van dergelijke matrijzen is cruciaal, vooral als het bedoeld is voor het gieten van kunststof onderdelen met esthetische functionaliteit. Aangezien de additief geproduceerde inserts laag voor laag worden geprint, hebben ze na het printen nog steeds een relatief ruwe oppervlaktetextuur. Ze worden CNC-nabewerkt en gepolijst om de oppervlakteruwheid te reduceren voor het bereiken van een gedefinieerd en gewenst oppervlak.

© Renishaw Benelux

Langetermijndenken loont

Prijs, productiekosten & ontwerp

Wanneer we louter naar aanschaf- of fabricagekosten kijken, zijn additief vervaardigde metalen inserts vaak prijziger dan hun traditioneel vervaardigde evenknieën, zeker aangezien de matrijskernen groter gereedschap vereisen om ze te bevestigen. Op lange termijn zorgt het ontwerp van de additieve variant evenwel voor lagere kosten. De kostprijs kan immers worden terugverdiend door de verbeterde cyclustijden, waardoor de productiekosten voor grote volumes lager worden. Bovendien worden conventionele hulpmiddelen zoals het gebruik van speciale koperen warmtegeleiders of andere complexe maatregelen zo goed als overbodig.

Standtijd & levensduur

De standtijd van een metalen inzetstuk is gelijk aan die van machinaal bewerkt gereedschap. 3D-geprinte metalen gereedschappen kunnen tot een miljoen spuitgegoten kunststof onderdelen en duizenden gegoten metalen onderdelen produceren. Het gelijkmatige temperatuurniveau dat tijdens het proces wordt bekomen verbetert de levensduur van het gereedschap.

Thermische eigenschappen & gewicht

Daarnaast experimenteert men eveneens met het printen van complete matrijzen. Die zijn topologisch geoptimaliseerd, zodat naast betere thermische eigenschappen ook het gewicht sterk wordt verminderd, met besparingen die op dat vlak kunnen oplopen tot 70% in vergelijking met traditioneel gefreesde gereedschappen.

Conclusie

Algemeen is in de gereedschapsindustrie de druk op de kosten hoog. Het beheersen van die kosten kan gedeeltelijk worden bereikt door de productiedoorvoer van de machine te optimaliseren en door afval te verminderen. Daar kan 3D-printen aan bijdragen. Dat kan in kunststof, maar wanneer van de matrijzen een hoge slijtvastheid wordt gevraagd, ook in metaal. De mogelijkheid om complexe interne (koel-)kanalen te voorzien, is een goede reden om voor additieve productie te kiezen. Het laat toe te gaan voor een combinatie van complexe geometrieën, een gewenste optimalisatie van de warmteoverdracht in vaak ook een beperkte ruimte. Dat resulteert in tijdwinst tijdens afkoeling, wat de cyclustijd met 10 tot 20% kan verkorten. Ook het risico op kromtrekken vermindert, wat de kwaliteit van de onderdelen verbetert.

Let wel, de beslissing over een geprint metalen matrijsinzetstuk of een conventionele aluminium of stalen matrijs moet worden genomen in de ontwerpfase van de matrijzen of matrijsinzetstukken. De ingenieur moet vertrouwd zijn met de mogelijkheden van de 3D-technologie om in staat te zijn een goede en betaalbare matrijs te ontwerpen in het licht van de extra mogelijkheden.