От технологического скачка к новой ключевой специализации

Сложности

На предприятии H&B около 340 сотрудников производят, в частности, пластмассовые корпуса для систем автоматизации методом литья под давлением. Помимо всего прочего важен и внешний облик. Например, в одном сенсорном блоке исполнительных элементов, изготовленном компанией H&B по заказу, диоды расположены за прозрачным пластиковым окном. В этом случае в пресс-форме требуется множество филигранных охлаждающих каналов, расположенных близко к контуру, чтобы синтетический материал мог контролируемо и равномерно отдавать свое тепло в процессе производства и быстро остывать. Это связано с тем, что при слишком медленном охлаждении используемый в данном случае тип синтетического материала приобретает молочный цвет. Общее правило охлаждения при литье под давлением гласит: как можно быстрее и как можно более однородно. Однородность обеспечивает качество, а скорость сокращает время цикла, что снижает расходы на единицу продукции.

Ранее предприятие использовало вкладыш для пресс-формы без близкого к контуру темперирования, но неоднократно сталкивалось с проблемой помутнения стекол и высокой долей брака. Хотя специалисты по пресс-формам компании H&B уже некоторое время используют в различных инструментах печатные вкладыши с близким к контурному темперированием, они не были удовлетворены имеющимися на сегодняшний день стареющими сталями для процесса лазерного сплавления на флюсовой подушке (LPBF), особенно 1.2709. И тогда было принято решение сделать ставку на аддитивное производство с использованием хорошо известной и популярной среди изготовителей пресс-форм инструментальной стали для горячих штампов 1.2343, причем на собственном 3D-принтере.

По сравнению со стареющей сталью 1.2709 термически улучшенная сталь H11 (1.2343) предоставляет ряд преимуществ, например, в отношении износостойкости, теплопроводности, твердости при повышенной температуре, термостойкости и полируемости. Ее конечные свойства корректируются термическим улучшением, что делает ее более пригодной для изготовления пресс-форм. Однако из-за более высокого содержания углерода и, как следствие, худшей свариваемости она предъявляет высокие требования к используемому процессу лазерного сплавления на флюсовой подушке (LPBF).

Решения

Именно здесь в игру вступает TRUMPF TruPrint 5000: его подогрев до 500 °C позволяет обрабатывать углеродистые инструментальные стали, такие как 1.2343, обеспечивая при этом надежность технологического процесса. TruPrint 5000 нагревает платформу построения до 500 °C и поддерживает ее и печатную подложку при этой температуре во время аддитивного построения. Это предотвращает снижение температуры затвердевающего материала ниже той, при которой после расплавления порошка лучом лазера образуется твердый, хрупкий мартенсит. Имеющиеся в продаже принтеры с подогревом до 200 °С недостаточны для такого сдерживания перепада температуры. В худшем случае это приведет к тому, что деталь покроется трещинами и будет непригодной для использования.

Томас Вайнманн (Thomas Weinmann) рад дополнительному бонусу: «Благодаря аддитивному построению — частично сформированной плавильной ванне, многократному частичному переплаву нижележащих слоев и послойному траекторий лазера — мы получаем такую же мелкозернистую структуру металла, как и при традиционном варианте инструментальной стали с электрошлаковым переплавом (ESU)».

Применение

Аддитивное производство начинается там, где традиционные субтрактивные методы производства достигают своего предела. С помощью опции «Преформа Basic» компания H&B может объединить преимущества обоих процессов. Например, сердечник формы производства H&B имеет в нижней зоне части с вертикально идущими вверх терморегулирующими каналами, которые также можно просверлить здесь обычным способом. Однако последующая часть с терморегулирующими каналами должна изготавливаться аддитивно, так как сверление вокруг угла невозможно.

Для изготовления сердечника формы H&B использует обычное основание, изготовленное субтрактивным способом. Установка принтера, выравнивание основания и печатаемой геометрии осуществляется с помощью встроенных в станок камер. При установке нескольких оснований возможно даже индивидуальное выравнивание каждой заготовки. Далее следует аддитивное построение. «При использовании деталей, изготовленных таким гибридным способом, можно сэкономить огромное количество времени и, тем самым, затрат на печать, поскольку объем печати значительно сокращается. В случае с одним из наших первых сердечников формы потенциал экономии с точки зрения расходов на печать составил около 42 %», — говорит Томас Вайнманн.

Томас Вайнманн и его коллектив обратили пристальное внимание на еще один важный момент при построении на преформе: полное сцепление материала между традиционно изготовленным основанием и напечатанной деталью. «Мы печатаем на основаниях, изготовленных из 1.2343 ESU. Даже под микроскопом не видно никаких зазоров, трещин и т.п. Поэтому у нас также гибридное абсолютное сцепление материала — мы создаем единую деталь", — поясняет он.

Благодаря 3D-печати охлаждение вблизи контуров, необходимое для равномерного и быстрого отвода технологического тепла, больше не является проблемой, поскольку эта технология позволяет реализовать ранее немыслимые траектории каналов, которые могут быть проложены практически в любом месте. Такие сердечники формы не могут быть реализованы обычным методом. Зачастую они позволяют изготавливать даже те литьевые детали из пластмасс, которые невозможно изготовить с помощью консервативной формовочной технологии или только с потерей качества.

Перспективы

Благодаря TruPrint 5000 компания H&B может удовлетворить свои требования к качеству и экономичности. Директор Ханс Бём (Hans Böhm): «Подобные инвестиции необходимо тщательно взвешивать. Но поскольку мы очень хорошо разбираемся в технологиях, для нас это не составило труда. Мы видим огромные возможности в области 3D-печати на основе металлов. И на первых порах речь идет скорее о качестве, чем о затратах». Для него эта технология, а вместе с ней и TruPrint 5000, переворачивает все с ног на голову, потому что речь идет не об обычном металле, а об инструментальной стали. Поэтому для предпринимателя вполне логично, что изготовление инструментов и пресс-форм с помощью 3D-печати в H&B Electronic из первоначального технологического скачка в ближайшем будущем превратится в новую ключевую специализацию. Первые шаги уже сделаны.

Редакция: 26.09.2023