Как сделать пресс-форму: руководство по изготовлению пресс-форм для профессионалов

Появление форм в бронзовом веке позволило усовершенствовать грубые производственные процессы, применявшиеся нашими предками. С тех пор технологии изготовления пресс-форм находятся на подъеме, поскольку производители, использующие передовые технологии производства, такие как литье под давлением, термоформование или литье, продолжают полагаться на пресс-формы для создания большинства пластиковых, силиконовых, резиновых, композитных и металлических деталей.

Пресс-форма для термоформования пластиковой упаковки и конечная деталь.

Итак, что можно изготовить с помощью пресс-форм? Практически все - от прототипов до сложных деталей конечного использования. Методы формовки используются в производстве для создания автомобильных деталей, потребительских товаров, упаковки, ювелирных изделий, медицинских приборов и многого другого - на самом деле, трудно найти функциональные продукты, в которых не было бы ни одного компонента, изготовленного с помощью методов формовки.

Производственные процессы, в которых используются пресс-формы 

Изготовление пресс-форм имеет решающее значение для различных производственных процессов; пресс-форма служит в качестве чертежа, на основе которого происходит тиражирование многих изделий массового производства. Производственные процессы, в которых используются пресс-формы, включают:

• Литье предполагает заполнение формы расплавленным металлом или другим жидким материалом. Расплавленный материал остывает и затвердевает в форме, образуя желаемое изделие. Литье обычно используется для производства металлических изделий, а также силиконовых и пластиковых деталей.

• Компрессионное формование — это производственный процесс, в котором отмеренное количество формовочного материала, обычно предварительно нагретого, сжимается в требуемую форму с помощью двух нагретых форм. Компрессионное формование обычно считается альтернативой литью под давлением для относительно простых конструкций для низких и средних серий производства деталей. 

• Выдувное формование — это технология, похожая на выдувание стекла. Выдувная машина нагнетает воздух в нагретую трубкоподобную деталь, обычно из пластика или стекла, которая зажимается в пресс-форме. Когда воздух вдувается в форму, давление выталкивает пластик наружу, придавая ему форму формы. Выдувное формование обычно используется для производства полых изделий, таких как бутылки.

• Ламинирование композитов включает в себя сборку композитных материалов на пресс-форме и применение таких методов, как мокрая укладка, ламинирование препрега или литье с переносом смолы для формирования готовых композитных деталей из высокоэффективных материалов, включая углеродное волокно, стекловолокно и кевлар.

 

Типы пресс-форм

Существует множество типов пресс-форм, которые могут использоваться в качестве оснастки для производственных процессов, описанных выше. Например, в алюминиевом литье существует около семи типов форм, включая формы для литья в песчаные формы, керамические формы и оболочковые формы. Таким образом, для упрощения классификации различных типов пресс-форм применяется следующая классификация:

• Однокомпонентные формы относятся к простейшим типам форм с однородной поверхностью всех частей объекта, подлежащего формовке. Конструкции пресс-форм или объекты с одной плоской поверхностью также могут быть воспроизведены с помощью однокомпонентных или цельных пресс-форм. Хотя однокомпонентные пресс-формы могут быть изготовлены на основе моделей CAD, эти пресс-формы обычно разрабатываются на основе физической мастер-модели.

• Двухкомпонентные пресс-формы обеспечивают возможность изготовления пресс-форм для более сложных конструкций. Двухкомпонентная пресс-форма определяется как пресс-форма с двумя отдельными частями, соединенными вместе на линии разъема для производства конечного продукта. Каждая изготовленная деталь отражает различные особенности обеих частей дизайна модели или мастер-модели. Изготовление двухкомпонентной пресс-формы также обычно включает в себя разработку обеих частей пресс-формы на основе мастер-модели или модели CAD.

• Многокомпонентные пресс-формы идеально подходят для проектирования пресс-форм с более сложной геометрией, требующей иного подхода по сравнению с процессом разработки одно- или двухкомпонентных пресс-форм. Многокомпонентные формы учитывают различные аспекты или особенности модели. Таким образом, готовая пресс-форма будет состоять из нескольких частей, воссоздающих различные особенности модели.

• Многогнездные пресс-формы имеют несколько полостей, имеющих форму одной и той же детали, что позволяет изготавливать несколько деталей за производственный цикл, повышая тем самым производительность.

Другой важнейшей характеристикой, помогающей классифицировать различные типы пресс-форм, является коэффициент многократного использования разработанной пресс-формы. Коэффициент многократного использования относится к тому, сколько раз производитель намеревается использовать пресс-форму. В соответствии с этой классификацией различают следующие типы пресс-форм:

• Формы одноразового использования или жертвенные формы: В этих формах воспроизводится один объект, и после использования форма разрушается в процессе распалубки. Формы для одноразового использования обычно изготавливаются из песка, глины, силикона, воска или пластмассы.

• Многоразовые или постоянные пресс-формы: как следует из названия, эти формы можно использовать повторно в течение нескольких циклов, от небольших до крупных серий. При небольших объемах (иногда называемых мягкими формами) многоразовые формы могут быть изготовлены из силикона, пены, дерева, пластмассы или более мягких металлов, таких как алюминий. При больших объемах, требующих более прочных форм, не изнашивающихся (часто называемых твердыми формами), формы чаще всего изготавливаются из твердых металлов, таких как сталь.

Одноразовые формы разрушаются в процессе распалубки (рис. 1)

 Многоразовые формы можно использовать повторно в течение нескольких циклов (рис. 2) 

Как выбрать технологию изготовления формы?

Какая технология изготовления пресс-форм лучше всего подходит для конкретной задачи? Это зависит от нескольких важных факторов, включая желаемый материал конечной детали, предполагаемый производственный процесс, геометрию модели и объем производства.

Ниже поэтапно рассматривается упрощенный, пошаговый подход к выбору наилучшей технологии для вашего производственного проекта:

1. Определите критерии разработки вашего проекта

Генеральный план производства может помочь создать четкие детали того, что ожидается от проекта, сроки его разработки и доступный бюджет. Планируете ли вы создавать детали на заказ или серийно производить тысячи одинаковых изделий, определит, какие варианты выбрать на следующих этапах. Критерии разработки могут меняться в зависимости от проекта, но обычно они включают в себя дизайн детали, размер, материал, качество, требуемые допуски, сроки, требуемый объем производства, ограничения по стоимости и т.д.

При разработке продукции исходным документом, который отвечает на многие из этих вопросов, часто является документ о требованиях к продукции (PRD), а спецификация материалов (BOM) - это полный перечень деталей, элементов, узлов и других материалов, необходимых для создания продукции. 

2. Выбор производственного процесса

Выбор правильного производственного процесса для определенной детали в значительной степени зависит от критериев разработки. В некоторых случаях для создания любой конструкции может использоваться несколько производственных процессов. Как правило, выбирают тот процесс, который может произвести данную деталь с требуемым качеством, при наименьших затратах и при соблюдении остальных критериев разработки. Выбор материала и объем производства, вероятно, являются наиболее важными факторами, определяющими ваше решение.

3. Выбор технологии изготовления пресс-формы

Как только вы остановились на правильном производственном процессе, тип пресс-формы для него также в значительной степени определяется критериями разработки. Хотя точные факторы зависят от производственного процесса, вот некоторые из наиболее важных соображений при выборе технологии изготовления пресс-формы:

• Конструкция детали: Постарайтесь максимально упростить конструкцию и согласовать ее с правилами проектирования данного производственного процесса, чтобы иметь возможность выбрать метод, позволяющий достичь наименьших затрат. Для простых конструкций могут потребоваться только формы, которые можно создать с помощью ручных методов, в то время как для сложных конструкций часто требуются формы из нескольких частей и цифровые производственные инструменты, такие как 3D-принтеры или обработка на станках с ЧПУ.

• Объем производства: для крупносерийного производства требуются прочные пресс-формы, которые могут точно копировать модели и не изнашиваться после нескольких использований. Однако изготовление таких инструментов сопряжено с высокими затратами и временем изготовления. Для разовых деталей и партий меньшего объема, возможно, эффективнее выбрать более дешевые формы, которые могут быть созданы быстрее, например, жертвенные формы или мягкие формы, которые можно выбросить, когда они начнут проявлять признаки непоправимого износа.

• Качество: более жесткие допуски требуют более точных форм и инструментов для создания, например, цифровых производственных инструментов, и должны быть более прочными, чтобы обеспечить стабильное качество деталей в течение нескольких циклов.

• Сроки: Изготовление сложных металлических форм часто занимает месяцы через поставщика услуг. Если вы работаете в более сжатые сроки, постарайтесь найти альтернативы, которые могут сократить время изготовления, например, 3D-печатная оснастка. 

• Материал: Материалы с более высокой температурой плавления или более абразивные требуют более прочных пресс-форм, способных создавать необходимый объем деталей без разрушения.

Как изготовить пресс-форму для различных производственных процессов

В этом разделе представлен краткий обзор технологий изготовления пресс-форм для различных производственных процессов. Перейдите по нашим ссылкам, чтобы получить подробные руководства и пошаговый рабочий процесс для каждого процесса. 

Существует два основных метода изготовления пресс-форм - прямой и непрямой. Косвенный метод изготовления пресс-форм предполагает разработку пресс-форм на основе физической мастер-модели, или шаблона. Прямой процесс предполагает разработку пресс-формы непосредственно на основе (цифрового) дизайна, чаще всего с использованием цифровых производственных процессов.

Силиконовые формы для литья

Литье в силиконовые формы - один из самых популярных процессов, в котором используются формы. Разработчики продуктов, инженеры, создатели DIY и даже повара - все они используют силиконовые формы для создания единичных или небольших партий деталей из пластика и других материалов. Силикон является отличным выбором для изготовления форм, поскольку с его помощью можно легко создавать индивидуальные конструкции, а сами формы достаточно прочны, поэтому их можно использовать многократно, не опасаясь поломки.

В зависимости от вашей конструкции вам может понадобиться пресс-форма из одной или двух частей. Процессы изготовления этих форм похожи, но для создания двухкомпонентной формы потребуется немного больше времени. Используйте пошаговую инструкцию в видео или наше практическое руководство по изготовлению силиконовых форм, чтобы создать свои собственные формы.

Пресс-формы для литья под давлением

Пресс-формы для литья под давлением традиционно изготавливаются из металла путем обработки на станках с ЧПУ или электроэрозионной обработки (EDM). Это дорогостоящие промышленные методы, требующие специализированного оборудования, высококлассного программного обеспечения и квалифицированной рабочей силы. В результате производство металлической пресс-формы обычно занимает от четырех до восьми недель и стоит от $2 000 до $100 000+ в зависимости от формы и сложности детали.

Однако существуют альтернативы обработке пресс-форм из металла. Использование собственной 3D-печати для изготовления литьевых форм для прототипирования и малосерийного производства значительно сокращает затраты и время по сравнению с металлическими формами, при этом обеспечивая производство высококачественных и повторяемых деталей.

Формы для термоформования

Формы, необходимые для процесса термоформования, могут быть разработаны с использованием различных производственных процессов, включая ручную лепку из дерева, обработку на станках с ЧПУ пластика, конструкционной пены, стекловолокна, инженерных композитов или металлов, 3D-печать полимеров, литье гипса или металла.

 

 

Многие предприятия обращаются к стереолитографии (SLA) 3D-печати для создания форм для процессов термоформования, поскольку она обеспечивает быстрое время выполнения заказа при низкой цене, особенно для коротких тиражей, нестандартных деталей и прототипов. 3D-печать также предлагает непревзойденную свободу проектирования для создания сложных и замысловатых форм.

Компрессионное формование

В зависимости от материала или заряда, который вы будете подвергать компрессионному формованию, у вас есть несколько вариантов создания форм, включая литье под давлением, обработку с ЧПУ или 3D-печать. Главное, чтобы ваши формы были способны выдержать процесс компрессионного формования, поэтому если вы используете нагрев, вам необходимо создать формы, способные выдерживать резкие изменения температуры. Формы также должны быть способны выдерживать давление, оказываемое при сжатии.

3D-печать - это быстрый и дешевый метод создания форм для компрессионного формования.

Формы для литья металлов

Хотя все методы литья металлов имеют одну и ту же основу, существуют различные методы, лучше подходящие для разных областей применения. Некоторые из наиболее распространенных методов включают литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и литье в песчаные формы.

Форма для литья в песчаные формы.

Как шаблоны для косвенного изготовления форм, так и формы для непосредственного литья металлических деталей могут быть изготовлены несколькими методами. Подробнее о каждом из этих процессов читайте в нашем руководстве по литью металлов.

Начните работу с 3D-печатными формами

Сочетание традиционных производственных технологий, таких как литье под давлением, термоформование или литье силикона, с 3D-печатью форм позволяет быстрее выводить продукцию на рынок с более экономичным по времени и затратам производственным процессом. Настольная 3D-печать предлагает предприятиям универсальный, экономически эффективный подход к разработке мастер-моделей и пресс-форм для прямого и непрямого процессов изготовления форм, полностью в домашних условиях.