A projekt eredményeként elkészült prototípus szerszám egy olyan fröccsöntő szerszám, amelynek az alakadó betéteit 3D nyomtatással készítettük polimer alapanyagból – pontosabban hőre keményedő akril bázisú műgyantából.
1. ábra: Digitális ABS alapanyagból nyomtatott szerszámbetétek
A szerszámbetéteket fogja körbe a megtervezett és kivitelezett fém szerszámház.
2. ábra: 3D nyomtatással készített szerszámbetétek
Mivel a polimerből 3D nyomtatott szerszámbetétek hővezetési tényezője igen alacsony (gyakorlatilag szigetelőként viselkednek) ezért egy optimalizált fröccsöntési technológiát kellett kikísérletezni. Az optimalizált fröccsöntési technológia azt jelenti, hogy egy adott fröccsöntő gépen olyan paramétereket kell beállítani, amelyek biztosítják, hogy a hőre lágyuló műanyagok a rájuk jellemző termomechanikai görbéit tudja követni különböző erőhatás és sebesség esetén.
A polimer anyagból 3D nyomtatással előállított betétek esetén az ömledék szerszámba juttatásának sebességét jelentős mértékben lehetett csökkenteni – míg a szükséges nyomás értéke nem változott. A projekt eredménye egy gyors szerszámgyártási módszer, amely kisszériás prototípusgyártásra alkalmas.
A 3D nyomtatás rendkívül gyorsan terjed a prototípusgyártás feladatainak megoldásánál. Ma már nemcsak prototípusokat, de kisebb sorozatokat is 3D nyomtatással oldanak meg – ebben az esetben additív gyártásról beszélünk. A 3D nyomtatás alkalmazását egyes hőre lágyuló alapanyagoknál nem lehet alkalmazni, mert nem lehet őket nyomás nélkül kristályosodásra késztetni. Ilyen alapanyagok a Poliacetál – POM; a Poli(butilén-tereftalát) – PBT; Poli(fenilén-szulfid) - PPS; Lágy polivinilklorid - (LPVC); Kemény polivinilklorid - (KPVC); Poli(metil-metakrilát) – PMMA; Poli(dimetil-fenilén-éter) – PPO; Ciklolefin kopolimer – COC.
Abban az esetben, ha a felsorolt alapanyagokból van anyagában megegyező (production intent) prototípusra igényünk akkor csak a fröccsöntési technológia jöhet szóba. Ez a tény indokolta az új, hibrid fröccsöntő szerszámok gyártásának kidolgozását – azaz a fröccsöntő szerszámok házát továbbra is fémből készítjük, viszont az alakadó betéteket Objet/PolyJet eljárással ún. digitális ABS akril bázisú hőre keményedő gyantából nyomtatjuk. Az így készített hibrid szerszám alkalmazásának módszertana a legtöbb vonatkozásban megegyezik a hagyományos csak fémből készült fröccsöntő szerszámoknál kialakult módszertannal.
3. ábra: A szükséges kilökőket a hagyományos módon lehet alkalmazni
A lényeges különbség abból adódik, hogy az alakadó szerszám betétek gyártása ideje lényegesen rövidebb mivel egy adott alakadó betét 3D nyomtatási ideje órákban fejezhető ki, amíg forgácsolással ez a tevékenység 5-10 munkanapot is igénybe vehet. Ezért a szerszám betétek gyors nyomtatása után érdemes a fémházba történő beépítés nélkül elvégezni a fröccsöntési próbákat.
4. ábra: Digitális ABS alapanyagból nyomtatott szerszámbetét a bennük fröccsöntött darabokkal
Ha a próbák megfelelő eredményt mutatnak, akkor be lehet építeni a nyomtatott betéteket. – ha további módosítás igénye lépne fel, akkor a geometriailag módosított betéteket újra ki lehet nyomtatni, amely tevékenység csak pár órát igényel a felügyelet nélküli eljárásnál. Ez pl. egy CNC marógéppel történő megmunkálásnál komoly hátrány mivel a CNC marógépet nem lehet felügyelet nélkül működtetni. Ennek megfelelően mi is első lépésként csak a kinyomtatott betétekkel végeztük el a próba fröccsöntéseket és csak utána építettük be nyomtatott betéteket a meglévő fémházba. Ennek további előnye, hogy egy fröccsöntő szerszám fémházát sokféle termék fröccsöntésére is fel lehet használni a megfelelő alakadó betétek cseréjével, amely betéteket 3D nyomtatással lehet legyártani.
A beszerelt betétekkel is először próbákat kell fröccsöntenteni, de ebben a fázisban nagy előny, hogy a kívánt darab grammsúlyát már jó közelítéssel meghatároztuk a nyomtatott betétekkel lefolytatott próbáknál. A folyamatos fröccsöntésnél ügyelni kell arra, hogy a szükséges nyomás meglegyen viszont a fröccsöntési sebesség óval alacsonyabb lehet, amely jó hatással van a 3D nyomtatott szerszám betétek élettartamára. Ügyelni kell még arra, hogy a fröccsöntési ciklus után a szerszámot nyitott állapotban kell tartani addig, amíg az a kellő mértékben lehűl. Ez azt jelenti, hogy a nyomtatott szerszámbetétekkel a szokásos fröccsöntési ciklus hossza megnövekszik – de ez nem okoz komoly problémát, mert a prototípusgyártásnál nincs igény a nagyobb darabszámú alkatrészre.
A projektben elhatározott hibrid fröccsöntő szerszám kutatásfejlesztési feladatait elvégezve a várt eredményt kaptuk, azaz létrejött egy hibrid fröccsöntő szerszámgyártási módszer, amelyben a 3D nyomtatásnak jelentős szerepe van. Az így készíthető hibrid szerszámok jelentősége azért nagyon fontos, mert a 3D nyomtatással nem gyártható prototípusok elkészítésének ideje jelentős mértékben csökkenthető, elősegítve a fejlesztési idők rövidítését, amely egy új termék időben történő piacra vitelében meghatározó tényező.
