Druk 3D czy formowanie wtryskowe? Koszty, nakład i jakość

Koszt formy: od setek do setek tysięcy

Formowanie wtryskowe polega na wtryśnięciu stopionego tworzywa pod ciśnieniem do zamkniętej formy, schłodzeniu go i wyjęciu gotowej części. Cykl jest krótki, a zmienne koszty produkcji niskie, bo granulat jest tani, a proces łatwo zautomatyzować. Hartowana forma stalowa wytrzymuje przy tym najwięcej cykli ze wszystkich materiałów narzędziowych. Problemem jest koszt i czas przygotowania tej formy.

Formlabs w zestawieniu kosztów wtrysku podaje rząd wielkości od około 100 USD za prostą formę drukowaną z żywicy do krótkich serii, przez około 2000–5000 USD za formę aluminiową na 1000–5000 sztuk, po 5000–100 000 USD i więcej za formy stalowe do produkcji powyżej 10 000 sztuk. Przy kursie rzędu 3,5–4 zł za dolara oznacza to rozpiętość od kilkuset złotych do kilkuset tysięcy złotych. O cenie decydują wielkość części, liczba gniazd, podcięcia wymagające suwaków oraz wymagania co do powierzchni. O drukowaniu wzorników, form i odlewów piszemy w poradniku Formy i odlewy z druku 3D.

Z czego jest forma i ile wytrzyma

• Stal hartowana (50–60 HRC) jest obrabiana i hartowana, ma najdłuższą żywotność i najwyższy koszt. Tak wykonuje się formy do produkcji masowej.
• Stal ulepszona wstępnie (38–45 HRC) jest tańsza w obróbce i używana przy mniejszych nakładach lub większych częściach.
• Aluminium, na przykład stopy 7075 i 2024, skraca czas i koszt wykonania formy. Według Wikipedii przy dobrym projekcie i konserwacji takie formy wytrzymują ponad 100 000 cykli, choć Formlabs ostrożniej mówi o kilku tysiącach wtrysków, zależnie od tworzywa i konstrukcji.
• Formy z miękkiej stali, żywicy epoksydowej lub drukowane z żywicy nadają się tylko do prototypów i bardzo krótkich serii.

Na koszt wpływa też liczba gniazd. Forma wielogniazdowa daje kilka lub kilkadziesiąt sztuk w jednym cyklu, więc obniża cenę jednostkową przy wysokich nakładach, ale sama jest droższa. Przy krótkich seriach wybiera się zwykle formy jednogniazdowe i tańsze materiały narzędzia.

Koszt sztuki a nakład i próg opłacalności

W druku 3D koszt jednej sztuki jest w przybliżeniu stały: każda część zużywa podobną ilość materiału i czasu maszyny. Przy wtrysku koszt formy rozkłada się na wszystkie sztuki, więc cena jednostkowa szybko spada wraz z nakładem. Formlabs pokazuje to na przykładzie obudowy: przy 100 sztukach z formy drukowanej koszt wynosi około 4 USD za sztukę, przy 5000 z formy aluminiowej około 2,6 USD, a przy 100 000 z formy stalowej około 1,7 USD. W tym samym przykładzie forma aluminiowa użyta do zaledwie 100 sztuk dodałaby około 30 USD do każdej części, a stalowa około 200 USD.

Uniwersalnego progu nie ma, a źródła podają różne wartości. Według serwisu engineering.com druk może przegrywać kosztowo z wtryskiem już powyżej kilkuset sztuk, Formlabs pokazuje formy aluminiowe jako optymalne dla 1000–5000 sztuk, a Protolabs wskazuje wtrysk jako najkorzystniejszy przy seriach liczonych w dziesiątkach tysięcy. Między tymi wartościami decydują wielkość części, czas druku jednej sztuki i koszt formy. Duże, masywne części szybciej przechodzą na wtrysk, a małe, złożone elementy w krótkich seriach dłużej opłaca się drukować. Jak liczona jest cena wydruku, opisuje strona cennik druku 3D.

Czas uruchomienia i zmiany konstrukcyjne

Druk 3D startuje od pliku. Po wycenie i zamówieniu pierwsze części powstają w ciągu dni, a kolejna wersja projektu wymaga tylko nowego modelu. Dlatego druk jest naturalnym wyborem przy prototypach i kilku iteracjach konstrukcji. Według Formlabs czas do uzyskania gotowych części z formy aluminiowej to około 3–4 tygodnie, a z formy stalowej 4–8 tygodni.

Zmiana w gotowej formie oznacza obróbkę narzędzia albo nową formę. Wtrysk ma też własne reguły konstrukcyjne. Protolabs zaleca pochylenie ścian około 1 stopnia na cal głębokości, równą grubość ścianek jako najważniejszą zasadę oraz żebra o grubości 40–60% sąsiedniej ściany. Podcięcia wymagają suwaków, a grube przekroje powodują zapadnięcia. Druk 3D tych ograniczeń nie ma, ale ma własne, opisane w poradniku o projektowaniu części do druku FDM. Część zaprojektowana pod druk zwykle wymaga przeróbki przed wtryskiem.

Druk ma przewagę także przy wariantach. Kilka wersji tej samej części, personalizowane oznaczenia czy różne kolory oznaczają w druku tylko inne pliki i ustawienia, a we wtrysku osobne gniazda, wkładki lub przezbrojenie formy. Z kolei przy jednym, ustabilizowanym kształcie produkowanym latami forma szybko się zwraca, bo cykl wtrysku trwa sekundy, a nie godziny jak druk jednej sztuki.

Materiały, powierzchnia i wytrzymałość

Te same rodziny tworzyw, takie jak PETG, ABS czy poliamidy, występują zarówno jako granulat do wtrysku, jak i jako filament do druku FDM. Według engineering.com tworzyw do druku jest jednak tylko ułamek tego, co dostępne dla wtrysku, a filament i granulat z tej samej rodziny nie muszą mieć identycznych właściwości. Prototyp z PETG dobrze pokazuje kształt i funkcję, ale nie zastąpi badań części z docelowego granulatu.

Część wtryskowa jest jednolita, a jej powierzchnia odwzorowuje powierzchnię formy, od połysku po fakturę. Wydruk FDM ma widoczne linie warstw i jest anizotropowy: warstwy łączą się słabiej niż materiał w ścieżce, więc najsłabszy jest w poprzek warstw. W praktyce kompensuje się to orientacją na stole, grubszymi ściankami i wypełnieniem, ale przy części krytycznej warto przetestować prototyp w docelowym obciążeniu. Dla porównania Wikipedia podaje przykład standardowej tolerancji wtrysku: dla wymiaru około 25 mm w części z polietylenu LDPE o ściance około 3 mm wynosi ona ±0,2 mm.

Druk jako pomost i narzędzie do form

• Produkcja pomostowa (bridge production): w czasie, gdy powstaje forma, drukowane części pozwalają rozpocząć sprzedaż, testy rynkowe lub montaż pierwszych urządzeń.
• Szybkie oprzyrządowanie (rapid tooling): drukowane formy i wkładki do form pozwalają wykonać krótką serię wtryskową bez obrabiania metalu. Według Formlabs drukowana forma może dać ponad 100 części w ciągu kilku dni, a w przytoczonym przez nich przykładzie formy do rozdmuchu drukowana forma kosztowała 500–1000 USD wobec 2500–10 000 USD za formę frezowaną.
• Weryfikacja przed formą: wydruk sprawdza montaż, ergonomię i pasowania, zanim zainwestujesz w narzędzie, którego zmiana jest kosztowna. Poprawka na etapie wydruku oznacza tylko nowy plik i kolejną sztukę.
• Przyrządy dla linii wtryskowej: uchwyty, szablony kontrolne i przyrządy montażowe drukuje się szybko i tanio, co opisuje poradnik o przyrządach i uchwytach produkcyjnych.

Wybierz druk 3D lub wtrysk: tabela decyzyjna