Lití do tvaru vs 3D tisk: Co je lepší pro váš výrobek?

Jak vstřikování funguje a kdy se osvědčí

Co je vstřikování a jak funguje?

Vstřikování funguje tak, že roztavené materiály, obvykle termoplasty, ale někdy i kovy, jsou pod velmi vysokým tlakem vtlačovány do speciálně vyrobených forem. Podle zprávy z roku 2024 o výrobních procesech existují v podstatě čtyři hlavní kroky. Nejprve dochází k roztavení suroviny, dokud není vhodná ke zpracování. Poté následuje samotná fáze vstřikování, při které mohou tlaky dosáhnout hodnot mezi 10 tisíci a 20 tisíci liber na čtvereční palec. Následně je zapotřebí určitý čas na správné ochlazení, které trvá od přibližně 5 sekund až do půl minuty, v závislosti na druhu použitého polymeru. Nakonec, jakmile díl dostatečně ztvrdne, je automaticky vyjmut z formy. Úžasnou vlastností této techniky je její přesnost. Některé díly mají rozměry natolik přesné, že se liší maximálně o plus nebo mínus 0,005 palce. Tato úroveň konzistence činí vstřikování ideálním pro výrobu dílů automobilů, které musí přesně zapadat do sebe, nebo pro ty malé válce používané v lékařských stříkačkách, kde i malé odchylky velmi záleží.

Vysokozdružová výroba s konzistentní kvalitou a opakovatelností

Pokud jde o rychlou výrobu velkého množství plastových dílů, injekční lisování opravdu září. Průmyslové stroje dokážou vyrobit více než tisíc kusů každou hodinu, přičemž náklady na kus jsou při sériích větších než 10 000 jednotek nižší než deset centů. Nedávná zpráva Asociace průmyslu plastů odhalila také zajímavou skutečnost – při velkosériové výrobě injekční lisování snižuje počet vad o přibližně 93 procent ve srovnání s metodami 3D tisku. Ještě lepší je, jak konzistentní všechno zůstává během různých výrobních cyklů, přičemž rozměry odpovídají mezi jednotlivými sériemi s přesností až 99,8 %. Důvodem této spolehlivosti je moderní zařízení vybavené chytrými řídicími systémy, které neustále automaticky upravují například teplotu plus minus jeden stupeň Celsia a tlak v rozmezí padesáti liber na čtvereční palec během výroby dílů. Tyto malé, ale klíčové úpravy probíhají během provozu automaticky, což znamená, že každý díl opouštějící výrobní linku je téměř identický s předchozím.

Pevnost materiálu, odolnost a povrchová úprava vstřikem lisovaných dílů

Vstřikem lisované díly obecně vykazují lepší mechanickou pevnost ve srovnání s jinými výrobními metodami. Inženýrské plasty, jako jsou PEEK, ABS a polycarbonát, mohou dosáhnout tahové pevnosti kolem 15 000 psi, což je přibližně o 40 procent vyšší než u běžných 3D tištěných komponent. To, co vstřikování do tvaru činí výjimečným, je způsob, jakým proces probíhá za vysokého tlaku, který odstraňuje viditelné vrstvy. Výsledkem jsou povrchy tak hladké, že dosahují úrovně úpravy až Ra 0,8 mikrometrů, téměř zrcadlovou kvalitu, bez nutnosti dodatečných leštících kroků. Pokud se podíváme na náročné průmyslové prostředí, fluoropolymerové materiály vyrobené vstřikováním vykazují výjimečnou odolnost. Zůstávají neporušené i po více než 500 hodinách ponoření v oleji podle norem ASTM, čímž dokazují svou schopnost odolávat agresivním chemikáliím, aniž by se rozpadly.

Náklady na nástroje, dodací lhůty a úvahy o počátečních investicích

Náklady na výrobu ocelových forem se obvykle pohybují mezi osmi tisíci a šedesáti tisíci dolary a jejich výroba trvá od osmi do čtrnácti týdnů. Z důvodu těchto faktorů si většina společností tento způsob vybírá pouze tehdy, když počítají s životností produktu delší než tři roky. Podle zprávy Machinery Today z roku 2024 tento přístup považuje za naprosto nezbytný přibližně tři čtvrtiny výrobců. Na druhou stranu mají hliníkové formy smysl u středních objemů výroby, řekněme někde mezi pěti tisíci a padesáti tisíci kusy. Ve srovnání s ocelí snižují náklady na vybavení přibližně o 35 % a také zkracují výrobní časy téměř na polovinu. Mnoho firem tento kompromis považuje za velmi výhodný, pokud se snaží efektivně spravovat rozpočet a zároveň splňovat požadavky na poptávku.

Náklady na jednotku při sériové výrobě: dlouhodobé úspory navzdory vysokým počátečním nákladům

U objemů nad 100 000 kusů snižuje vstřikování náklady na díl o 80–92 % ve srovnání s 3D tiskem. Rozbor nákladů ukazuje:

• 120 000 USD počáteční náklady na nástroje
• 0,09 USD materiálové náklady na kus
• 12sekundový cyklus

Výsledkem je konečná cena 1,23 USD za díl při 500 000 kusech – o 72 % nižší než u SLS tisku z nylonu. Bod zvratu mezi 3D tiskem a vstřikováním obvykle nastává mezi 1 000 a 5 000 kusy, v závislosti na složitosti návrhu a požadavcích výroby.

výhody 3D tisku: Rychlost, flexibilita a výroba malých sérií

Volnost návrhu a podpora komplexních geometrií bez nutnosti výroby nástrojů

Schopnost tisku ve třech dimenzích dává návrhářům svobodu, kterou dříve neměli, protože staví objekty vrstvu po vrstvě přímo z počítačových souborů, takže není třeba utrácet peníze za drahé formy. Lití do forem má spoustu omezení, například potřebu šikmých ploch a stěn stejné tloušťky všude. U aditivní výroby však výrobci mohou vytvářet dutiny uvnitř, plynulé přirozené tvary a složité vnitřní průchody, které by jinak byly nemožné. Podle výzkumu publikovaného Wevolverem minulý rok podniky, které přešly na prototypy tištěné pomocí 3D tisku, snížily své úsilí o přepracování o přibližně čtyřicet procent ve srovnání se staromódními metodami. Taková efektivita skutečně mění vývojové časové plány produktů.

Rychlé prototypování a iterační vývoj pro rychlejší uvedení na trh

Tato technologie opravdu zrychluje vývoj produktů a zkracuje časové rámce pro prototypy, které dříve trvaly týdny, na pouhé hodiny. Co mohou inženýři nyní dělat, je vytvářet a provádět testy několika různých verzí návrhu vše během jednoho pracovního dne – něco, co dříve s tradičními metodami vstřikovacího lisování prostě nebylo možné, protože každá malá úprava vyžadovala výrobu zcela nových forem. Automobilové společnosti vyprávějí příběhy o tom, jak se jim podařilo zkrátit jejich počáteční výrobní fáze přibližně o dvě třetiny poté, co začaly do svého návrhového procesu integrovat 3D tisk.

Výroba malých a středních sérií bez investice do forem

U sérií výroby pod 10 000 jednotek 3D tisk eliminuje počáteční investici ve výši 10 000–100 000 USD, která je vyžadována pro vstřikovací formy. To činí tuto metodu ekonomicky životaschopnou pro ověření trhu, limitované edice a dočasnou výrobu. Například začínající společnosti v oblasti zdravotnictví využívají 3D tisk k výrobě pacientovi specifických chirurgických pomůcek za cenu o 30 % nižší, přičemž udržují výkon materiálu na úrovni klinické třídy.

Rychlá dodací lhůta a zkrácené dodací termíny pro naléhavé nebo individuální objednávky

Aditivní výroba dodává hotové díly do 24–72 hodin, čímž obchází dodací lhůty 8–12 týdnů spojené se vznikem forem. Tato reakční schopnost podporuje just-in-time výrobu a rychlé plnění individuálních objednávek. Jeden dodavatel pro letecký průmysl snížil dodací dobu náhradních dílů z 14 týdnů na 3 dny zavedením distribuovaných sítí 3D tisku.

Principy procesu: Aditivní versus subtraktivní výroba

3D tisk vytváří objekty po jednotlivých tenkých vrstvách pomocí materiálů jako plast nebo kov, což umožňuje vytvářet tvary, které si běžná výroba prostě nedokáže poradit. Vezměme například vstřikování, při kterém se horká roztavená hmota pod vysokým tlakem vtlačuje do ocelových nebo hliníkových forem, aby se rychle vyrobilo množství stejných dílů. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že 3D tiskárny dokážou vytvářet složité mřížové struktury a plynulé organické tvary, zatímco vstřikování vyžaduje pevné formy s dutinami, jejichž změna není snadná, ale poskytují každým krokem konzistentní výsledky. Výroba těchto forem obvykle vyžaduje CNC obrábění, které materiál odstraňuje namísto jeho přidávání, a celý tento proces zabere více času a peněz ve srovnání s tím, jak jednoduše a digitálně funguje 3D tisk od začátku do konce.

Složitost návrhu a omezení vyrábětelnosti

• Omezení vstřikování : Vyžaduje vyjímky (1—3°), rovnoměrnou tloušťku stěn (0,5—4 mm) a minimální podřezy, aby se předešlo deformacím nebo problémům s vysunutím.
• svoboda 3D tisku : Eliminuje potřebu vyjímek, umožňuje proměnnou tloušťku stěn a sloučení vícedílných sestav do jednoho kusu.
  Například lisování do forem má potíže s vnitřními kanály užšími než 0,5 mm, zatímco 3D tisk dosahuje rozlišení až 0,1 mm, což je kritické pro mikrofluidní zařízení.

Úprava povrchu, přesnost a požadavky na dodatečné zpracování

Díly vyrobené lisováním do formy obvykle vycházejí z formy s drsností povrchu kolem 0,8 až 1,6 mikrometru Ra, což je přibližně srovnatelné s tím, co vidíme u obráběcích procesů. Když se však podíváme na 3D tištěné komponenty, čísla jsou poměrně výrazně vyšší, průměrně mezi 3,2 a dokonce 12,5 mikrometru Ra. Většina těchto dílů vyžaduje dodatečné zpracování, jako je broušení nebo chemické úpravy, pokud mají být použity tam, kde záleží na vzhledu. Nicméně existuje jedna oblast, ve které 3D tisk opravdu vyniká. U velmi tenkých stěn, se kterými se výrobci někdy potýkají, poskytují 3D tiskárny lepší rozměrovou přesnost. Mluvíme o tolerancích plus minus 0,1 mm ve srovnání s přibližně 0,3 mm při použití tradičních metod lisování. To činí 3D tisk zvláště atraktivním pro výrobu prototypů, kde nelze na přesnosti ušetřit.

Možnosti materiálů a mechanické vlastnosti finálních dílů

Lití pod tlakem umožňuje použití vyztužených směsí (např. skleněným vláknem nebo třídami se zpomalovačem hoření) pro průmyslovou odolnost, zatímco 3D tisk nabízí biokompatibilní pryskyřice ideální pro medicínské prototypování a krátké série implantátů.

Analýza objemu výroby a bodu zvratu nákladů

Srovnání ekonomičnosti: Malé série vs. hromadná výroba

Při výrobě vstřikovacích dílů ve velkém množství jsou náklady velmi výhodné. Cena za kus prudce klesá, zhruba o 60 až dokonce 80 procent, pokud se objem výroby pohybuje nad deseti tisíci kusy, podle dat společnosti Finale Inventory z minulého roku. Samozřejmě, zahájení vstřikování plastů vyžaduje poměrně vysoké počáteční výdaje na formy, obvykle od deseti tisíc až po sto tisíc dolarů nebo více. Jakmile se ale výroba rozjede, tyto počáteční náklady se rozprostřou na tisíce kusů, čímž se tato metoda stává zvláště vhodnou pro produkty s stabilním odbytem a trvalou poptávkou. Na druhou stranu, pokud někdo potřebuje jen několik vzorků nebo chce vyrobit pouze malé množství, řekněme méně než pět set kusů, je mnohem výhodnější 3D tisk. Tento postup totiž úplně eliminuje nákladné vytváření forem. Některé studie uvádějí, že použití 3D tisku může snížit náklady na jednotlivé díly téměř o 90 procent ve srovnání s konvenčními výrobními metodami.

Kdy zvolit 3D tisk na základě poptávky a škálovatelnosti

Zvolte aditivní výrobu, pokud:

• Vyvíjíte neprokázané návrhy vyžadující časté iterace
• Vyrábíte méně než 1 000 kusů ročně s proměnlivými specifikacemi
• Vytváříte komplexní geometrie, které by vyžadovaly nákladné vícedírné formy

V ortopedii například vývojáři používají 3D tisk k vytváření modelů implantátů specifických pro pacienta během schvalovacího procesu FDA, než přejdou k lisování do forem pro plnohodnotnou sériovou výrobu.

Kdy se výliskování stává lepší volbou pro velké série

Přejděte na vstřikování, pokud:

• Roční poptávka překračuje 5 000 kusů
• Je zásadní konzistentní mechanické vlastnosti mezi jednotlivými sériemi
• Po výrobě nástrojů jsou potřeba krátké dodací lhůty (<2 týdny)

Dodavatelé automobilového průmyslu uvádějí úspory nákladů ve výši 40 % oproti 3D tisku při výrobě více než 20 000 součástí palivového systému ročně, jak vyplývá z referenčních hodnot za rok 2024.

Výpočet bodu zvratu pro výběr výrobní metody

Použijte tento vzorec k určení optimálního množství přechodu:

Množství bodu zvratu = (Náklady na tvářecí nástroj pro vstřikování) / (Náklady na jednotku při 3D tisku – Náklady na jednotku při lisování)

Analýza bodu zvratu z roku 2023 porovnávající ozubená kola z ABS plastu ukázala průsečík při 1 150 kusech – pod tímto počtem je ekonomičtější 3D tisk, nad nímž vstřikování ušetří 14,72 USD na jednotku. Zvažte také dodací dobu: díky absenci nástrojů umožňuje 3D tisk spuštění ve stejném týdnu, zatímco výroba formy trvá 8–12 týdnů.