MCAM 3D geprinte oplosbare spuitgietmatrijs

Mitsubishi Chemical Advanced Materials (MCAM) kan in Tielt, België, binnen een week functionele spuitgietstukken in het juiste materiaal maken voor testdoeleinden, zonder dat de klant moet investeren in een stalen of aluminium matrijs. De Belgische vestiging is wereldwijd één van de locaties waar MCAM de 3D printtechnologie SPRINT aanbiedt als een service. Met deze 3D technologie print je oplosbare spuitgietmatrijzen.

In vier stappen gaat MCAM in Tielt van idee naar een spuitgietproduct.

Het Japanse Mitsubishi Chemical Advanced Materials heeft een belang genomen in Addifab. Deze Deense scale-up heeft de SPRINT - Soluble Printed Injection Tooling - technologie ontwikkeld. Hiermee kun je met UV uithardende hars Freeform spuitgietmatrijzen printen. “Het hars is oplosbaar. De volledige matrijs kan men dus oplossen, zodat je ondersnijdingen kunt maken en holle delen zonder dat de matrijs deelbaar hoeft te zijn”, zegt Petrus van Damme van MCAM in Tielt. Sinds kort houdt hij zich uitsluitend bezig om deze technologie beschikbaar te maken voor klanten in Europa. MCAM past deze printtechnologie al toe in de VS en op korte termijn ook in Japan. Sinds oktober is de 3D printer en randapparatuur in Tielt operationeel.

Geen riskante vroege investeringen in matrijs

SPRINT is vooral bedoeld in de fase van productontwikkeling wanneer designs getest en producten en materialen gevalideerd moeten worden. Gewoon 3D printen van technische delen biedt dan slechts beperkt een uitkomst, omdat de materialen waarmee geprint wordt veelal niet dezelfde zijn als de uiteindelijke spuitgietmaterialen. Investeren in een stalen of aluminium matrijs is echter riskant, omdat mogelijk designwijzigingen direct tot dure aanpassingen aan de matrijs kunnen leiden. Ook kan het ontwerp van het product nog aanpassingen vereisen. Precies dit dilemma pakt MCAM aan. “De klant hoeft niet te investeren in een stalen matrijs, waardoor kosten lager zijn en we een zeer korte doorlooptijd hebben. Momenteel hanteren we een levertijd voor de delen van twee weken, maar in de toekomst kunnen we nog sneller spuitgietdelen leveren”, zegt Petrus van Damme. Hij rekent op een week, gerekend vanaf de dag dat een gevalideerd 3D CAD-model wordt aangeleverd.

Matrijs lost volledig op

De printtechnologie is gebaseerd op een aangepaste Stereolithografie (SLA), en er worden eigen ontwikkelde harsen gebruikt. Het bijzondere aan dit hars materiaal is dat het oplost in een alkalische oplossing. Hierdoor kun je niet deelbare matrijzen ontwikkelen voor volledig ‘Freefrom’ producten. In dit geval kan men echter geen PC, PET en PBT inzetten vanwege de chemische resistentie gedurende het oplossen van de matrijs. Verder zijn ook in dit geval bijna alle verdere thermoplastische polymeren met en zonder vulling te gebruiken.

Bij MCAM in Tielt staan inmiddels de 3D printers en alle randapparatuur voor de productie van de matrijzen.

Petrus van Damme: “Wanneer gekozen wordt voor een geprinte matrijs die wel deelbaar is, zijn er geen beperkingen in materiaalkeuze. Dit inclusief het spuitgieten van gevulde kunststoffen met glas- en carbonfiber, beginnend bij thermoplastische elastomeren tot hoge temperatuur materialen zoals PEEK.” Deze deelbare matrijzen zijn ook aan te raden als de ‘Freeform’ mogelijkheid niet noodzakelijk is, omdat het oplossen van de matrijs enkele dagen kan vergen wat wegvalt indien de matrijs wel gedeeld is.

Stalen moedermatrijs

De 3D geprinte matrijs wordt in Tielt in een stalen moedermatrijs gemonteerd, die gevuld wordt op een standaard spuitgietmachine. MCAM levert hiermee functionele prototypen, geschikt voor het testen van functies en vorm én voor materiaalvalidatie. Volgens Petrus van Damme is het formaat van de onderdelen 80 bij 40 bij 130 mm. Als men kleinere delen dient te printen kan men in één printproces meerdere delen combineren. “Voor deze kleinere onderdelen, zoals een onderdeel van een gehoorapparaat, kan je meerdere componenten in één matrijs spuitgieten.” Doorgaans gaat het om enkele tot zo’n 10 producten per matrijs, afhankelijk van de grootte en vorm van het product.

Sneller naar de markt

De eigenschappen van de spuitgietproducten komen vrijwel overeen met dezelfde materialen verwerkt in een stalen matrijs. Testen door MCAM tonen een iets hogere rek bij breuk vergeleken met producten die gemaakt worden met een stalen matrijs. Een test met een geprinte matrijs gevuld met carbon vezel PEEK laat alleen bij de treksterkte een 1% lagere waarde zien; alle andere testwaarden liggen hoger. Bij 100% ongevulde PEEK liggen de waarden rond de 90% van de kunststof onderdelen uit een stalen matrijs. Deze afwijking ontstaat doordat het materiaal niet volledig kristalliseert in de niet verwarmde matrijs. De winst van het proces zit in de aanzienlijk lagere kosten en de korte doorlooptijd, benadrukt Petrus van Damme. Voor een Amerikaanse klant heeft MCAM in Phoenix, waar de SPRINT technologie al operationeel is, 2 verschillende designs geprint voor een onderdeel van een operatierobot. Voor elk design werden 10 delen geleverd. Daarmee heeft de klant testen kunnen doen om het beste design te kiezen. Het hele project werd in enkele weken afgerond, kosten $6500. Een tweede voorbeeld uit de VS is het printen en testen van een onderdeel van een golfstick. Conventioneel kost het maken van de matrijzen voor vier prototypes zo’n $72.000 dollar en heeft samen met het testen een doorlooptijd van twee jaar. Nu heeft MCAM voor in totaal $6000 in zo’n drie weken tijd vier prototypes gemaakt, elk met een ander ontwerp. Daarmee kan de producent veel sneller zijn nieuwe product op de markt brengen.

Service voor de markt

Mitsubishi Chemical Advanced Materials heeft een belang genomen in Addifab, waarbij de afspraak is gemaakt dat MCAM de Deense printtechnologie wereldwijd als dienstverlening gaat aanbieden. Petrus van Damme benadrukt hierbij dat het niet vanzelfsprekend hoeft te zijn dat naderhand in Tielt ook de serie wordt geproduceerd. “Wij werken met SPRINT als een echte serviceprovider en bieden deze techniek als een service aan derden aan. Zonder verplichting hier het seriewerk onder te brengen.” Hij vindt dat deze SPRINT technologie goed aansluit op de Matsuura 3D Manufacturing technologie waarmee MACM in Tielt stalen matrijs-inserts kan 3D printen. De beide technieken liggen in elkaars verlengde. “Bij de Matsuura hybride machine praat je nog steeds over een stalen matrijs. Als je het design wilt veranderen, dien je meestal een nieuwe stalen insert te printen wat relatief duur is. Met SPRINT zijn we snel en kunnen we relatief gemakkelijk en tegen lage kosten veranderingen in het ontwerp doorvoeren.”