← Všechny články

3D tisk forem pro odlévání hliníkových slitin

RERIO s.r.o.
3D tisk forem pro odlévání hliníkových slitin

3D tisk forem pro odlévání hliníkových slitin kombinuje rychlost aditivní výroby s vlastnostmi klasického lití – gravitačního i tlakového. RERIO tuto kombinaci nabízí jako ucelenou službu: od kusového tisku hliníkového dílu přes tištěnou formu pro malé a střední série až po dlouhodobou kovovou formu pro tlakové lití velkých objemů.

Volba technologie závisí hlavně na velikosti série a hmotnosti dílu. U kusů a prototypů se vyplatí přímý 3D tisk z hliníku, u sérií nad 50 kusů a dílů od 600 g vychází lépe tištěná forma pro gravitační lití, u objemů nad 1000 kusů dává smysl investice do dlouhodobé formy pro tlakové lití.

Stručně:

Kdy se vyplatí tisknout hliníkový díl přímo a kdy vytisknout formu?

Přímý tisk z hliníku se vyplatí u kusové výroby, prototypů a náhradních dílů, kde by výroba formy byla ekonomicky zbytečná. U sérií a dílů nad 600 g se naopak vyplatí investice do tištěné formy, protože úspora na jednotkové ceně odlitku rychle zaplatí náklady na formu.

Hranice 50 kusů a 600 g hmotnosti dílu není náhodná. Pod touto hranicí je amortizace formy na jeden kus příliš vysoká a kusový tisk vyjde levněji. Přímý 3D tisk dává smysl zejména u prototypů, zakázkové výroby, často upravovaných modelů a složitých geometrií, pro které by byla výroba samostatného nástroje neekonomická. Nad touto hranicí se naopak projeví výhoda nižší jednotkové ceny odlitku oproti tisku dílu po dílu.

Podobnou logiku popisují i obecné přehledy výroby forem pro kovy – do přípravy forem navíc stále více vstupuje 3D tisk, který může vytvářet modely, vytavitelné voskové modely, jádra i samotné pískové formy. RERIO jde o krok dál a tiskne přímo funkční formu určenou pro opakované odlévání hliníkových slitin, nikoli jen jednorázový model.

Rozhodování zjednodušuje tabulka s typickými parametry jednotlivých cest výroby u RERIO.

TechnologieVhodná velikost sérieMinimální hmotnost díluDoba realizace u RERIO
Přímý 3D tisk hliníkového dílukusovka až desítky ksbez omezení2–3 týdny
Tištěná forma + gravitační litíod cca 50 ksod 600 g4–5 týdnů forma + 2 týdny série
Dlouhodobá forma + tlakové litíod cca 1000 ksbez omezení5–7 týdnů výroba formy

Jak probíhá kusový 3D tisk hliníkového dílu u RERIO?

Kusový díl z hliníku RERIO vytiskne přímo z kovového prášku na průmyslové tiskárně a následně jej kompletně dokončí – od tryskání po pokovení. Zákazník dostává 100% hotový díl určený rovnou k montáži do aplikace, bez nutnosti hledat dalšího dodavatele povrchové úpravy.

Nabídka povrchových úprav zahrnuje:

  1. Tryskání – sjednocení povrchu a odstranění otřepů po tisku.
  2. Leštění – pro estetické i funkční plochy s nízkou drsností.
  3. Lakování – barevná úprava podle požadavku zákazníka.
  4. Pokovení (electroplating) – kovová vrstva pro vodivost, odolnost nebo vzhled.
  5. CNC doobrobení – přesné plochy, závity a uložení, které tisk sám nezvládne na požadovanou toleranci.

Díky vlastnímu vývoji tiskáren RERIO garantuje u svých strojů tiskový prostor až 1000 mm a přesnost tisku 0,05 mm, což umožňuje tisknout i větší kusy hliníkových dílů v jedné operaci bez nutnosti lepení či svařování segmentů. Zakázkový tisk tak pokryje jak drobné náhradní díly, tak objemnější konstrukční prvky.

Náklady na kovový 3D tisk se liší podle technologie, materiálu a velikosti série. V nákladech na vyrobený kus se velkou měrou podepisuje amortizace samotné technologie, tj. používaného stroje, menší měrou se do nákladů propisuje materiál. To je důvod, proč se kusový tisk hliníku vyplatí hlavně u geometricky složitých nebo nízkoobjemových dílů, kde klasické obrábění z plného materiálu vychází dráž.

Jak funguje gravitační lití do tištěné formy?

Gravitační lití do tištěné formy znamená, že se roztavená hliníková slitina nalévá do dutiny formy působením vlastní tíhy, bez vnějšího tlaku. RERIO formu vytiskne, odlije zkušební kus, a po schválení zákazníkem vyrobí zbytek série – celkem 4–5 týdnů na formu a odlitky plus 2 týdny na výrobu samotné série.

Tato cesta je výhodná u sérií od 50 kusů a dílů od 600 g, protože cena tištěné formy je výrazně nižší než u klasické obráběné kovové formy. Na českém trhu se klasická obráběná forma na hliníkové odlitky pohybuje v řádu statisíců korun – odhadem pod 300 000 Kč se nedostanete, a to ani když formu bude dělat garážník, natož specializovaná nástrojárna. Výsledné odlitky se pak prodávají podle hmotnosti a materiálu, přičemž ceny odlitků se běžně pohybují od 700 do 1000 Kč/kg podle materiálu, tepelného zpracování a složitosti součásti.

Gravitační lití do kovových nebo tištěných forem má ale svá omezení, na která upozorňují i technické práce z oboru. Metodu lze uplatnit jen v případech výroby většího množství odlitků a kompletní finanční náklady na výrobu formy a jader musí být uhrazeny v ceně vyrobených odlitků. Proto RERIO vždy před výrobou formy spočítá bod zvratu – od kolika kusů se investice do formy vrátí oproti kusovému tisku.

Velkou výhodou gravitačního lití do tištěné formy je možnost použít slitiny určené k tepelnému zpracování T6, které zvyšují pevnost hotového dílu. To u tlakového lití pod vysokým tlakem obvykle není možné kvůli pórovitosti odlitku, která při vysokoteplotním rozpouštěcím žíhání způsobuje bublinaté vady povrchu.

Co znamená tepelné zpracování T6 a proč je pro odlitek důležité?

Tepelné zpracování T6 je komplexní proces, který zvyšuje pevnost a tvrdost hliníkové slitiny na maximum dosažitelné dané slitinou. Skládá se z rozpouštěcího žíhání, rychlého ochlazení a umělého stárnutí za zvýšené teploty.

Konkrétní parametry se liší podle slitiny, typicky ale platí: T6 je komplexní tepelné zpracování – rozpouštěcí žíhání (520 °C – 540 °C / 3–6 hod), rychlé ochlazení, precipitační vytvrzování za tepla (145 °C – 160 °C / 3–5 hod). Výsledkem je výrazně vyšší mez pevnosti i tvrdost oproti stavu po odlití.

Proč je to pro konstruktéry důležité? T6 se používá ve vysoce namáhaných aplikacích, jako je letectví, vojenství a těžké stroje, protože má vysokou pevnost. Rozdíl oproti mírnějšímu zpracování T5 shrnuje srovnání: T5 je uměle stárnut pro zvýšení tvrdosti a pevnosti, zatímco T6 je tepelně upravován a uměle stárnut pro dosažení nejvyšší možné pevnosti.

Pro praxi to znamená, že díl odlitý do tištěné formy u RERIO a následně tepelně zpracovaný na T6 může nahradit i konstrukčně náročnější díly, u kterých by se jinak uvažovalo o dražším obrábění z plného polotovaru nebo o kovaném polotovaru. RERIO proto u sérií nad 50 ks doporučuje zvážit T6 vytvrzení už při výběru slitiny, protože ovlivňuje volbu technologie lití.

Kdy přejít na tlakové lití a dlouhodobou formu?

Tlakové lití do dlouhodobé kovové formy se vyplatí od přibližně 1000 kusů, kdy vysoká jednotková rychlost odlévání a nízká cena odlitku převáží vyšší vstupní náklady na formu. RERIO v tomto případě řeší výrobu dlouhodobé formy, jejíž výroba trvá 5–7 týdnů.

Tlakové lití vstřikuje roztavený kov do formy pod vysokým tlakem, díky čemuž vzniká odlitek s tenkými stěnami a vysokou produktivitou cyklu. Forma proto musí snést mnohonásobně vyšší mechanické a tepelné namáhání než forma pro gravitační lití. Formy se kvůli mimořádným mechanickým a tepelným nárokům vyrábí z vysoko legované oceli Cr-Mo a tepelně se zpracují.

Tomu odpovídá i cena nástroje. Výrobní náklady na tlakovou formu se pohybují řádově ve statisících až milionech korun, což je hlavní důvod, proč se tato cesta vyplatí až od velkých objemů. Mezi hlavní nevýhody tlakového lití patří právě vysoké náklady na zhotovení tlakové formy a pořízení stroje – investici je nutné rozpočítat na dostatečně velký počet kusů, aby se vrátila.

Pro zákazníky, kteří plánují růst objemu postupně, dává smysl začít tištěnou formou pro gravitační lití u prvních stovek kusů a teprve při potvrzení poptávky investovat do dlouhodobé formy pro tlakové lití. RERIO tento přechod podporuje, protože zkušenosti a geometrie dílu z gravitačního lití lze z velké části přenést i do návrhu tlakové formy.

Kolik stojí forma pro odlévání hliníku u jednotlivých technologií?

Cena formy roste s náročností technologie – od tištěné formy pro gravitační lití po ocelovou tlakovou formu. Přesná cena vždy závisí na geometrii dílu, počtu jader a dělicích rovin, proto RERIO cenu kalkuluje individuálně podle 3D modelu.

Orientační srovnání na základě dostupných tržních dat ukazuje tabulka níže. Čísla slouží jako obecný rámec, ne jako závazná nabídka – konkrétní cenu u RERIO získáte po zaslání 3D modelu dílu.

Typ formyOrientační cena nástrojeVhodné pro
Tištěná forma pro gravitační litínižší jednotky až nižší desítky tisíc Kč (dle složitosti)série od 50 ks, díly 600 g+
Klasická obráběná forma na hliníkod cca 300 000 Kčstřední až velké série
Dlouhodobá forma pro tlakové litístatisíce až miliony Kčvelké série od 1000 ks

Klíčový rozdíl oproti klasickému nástrojařství je rychlost přípravy. Zatímco u obráběné kovové formy se měsíce počítají jen na konstrukci a obrobení nástroje, u tištěné formy RERIO zvládne celý cyklus – tisk, lití zkušebního kusu i výrobu série – v řádu 6–7 týdnů od zadání.

Podrobnější srovnání cen a technologií výroby forem najdete také v článku o 3D tisku forem pro vstřikování plastů, kde platí podobná ekonomická logika jako u forem na hliník.

Jak RERIO počítá úsporu při přechodu na tištěnou formu?

Úspora vzniká tím, že cena jednoho odlitku z formy je mnohonásobně nižší než cena kusově tištěného nebo obráběného dílu, zatímco cena formy je jednorázová. Čím větší série, tím rychleji se forma zaplatí a tím výraznější je celková úspora.

Princip je stejný jako u optimalizace dílů pro sériovou výrobu, kterou RERIO popisuje i v článku o MKP optimalizaci a levnější výrobě dílů. I zde platí, že správná volba technologie podle velikosti série dokáže snížit jednotkovou cenu dílu o desítky procent.

Konkrétní výpočet vychází z pěti kroků:

  1. Spočítat cenu kusového 3D tisku daného dílu včetně povrchové úpravy.
  2. Odhadnout cenu tištěné nebo klasické formy podle geometrie a materiálu.
  3. Vydělit cenu formy požadovaným počtem kusů v sérii.
  4. Přičíst k tomu jednotkovou cenu odlitku (materiál, tavení, apretace).
  5. Porovnat součet s cenou kusového tisku stejného počtu dílů.

U dílů nad 600 g a sérií nad 50 ks tento výpočet téměř vždy vychází ve prospěch tištěné formy – jednotková cena odlitku klesá rychleji, než roste podíl formy na kus. RERIO tento propočet dělá pro každou poptávku individuálně, protože se liší podle tvaru dílu, slitiny i požadavku na T6 vytvrzení.

Časté otázky

Od kolika kusů se vyplatí tisknout formu místo kusového tisku dílu?

Hranice se u RERIO obecně pohybuje kolem 50 kusů u dílů s hmotností od 600 g. Pod touto hranicí vychází levněji přímý kusový 3D tisk z hliníku.

Jak dlouho trvá výroba hliníkového dílu pomocí tištěné formy?

Výroba formy a zkušebních odlitků trvá 4–5 týdnů, následná výroba celé série pak další 2 týdny. Celkem tedy zákazník počítá s přibližně 6–7 týdny od zadání po dodání série.

Lze díly z tištěné formy tepelně zpracovat na T6?

Ano, gravitační lití do tištěné formy umožňuje použít slitiny určené k tepelnému zpracování T6, které výrazně zvyšuje pevnost a tvrdost odlitku. U tlakového lití pod vysokým tlakem to kvůli pórovitosti odlitku obvykle možné není.

Jaké povrchové úpravy RERIO k hliníkovým dílům nabízí?

RERIO nabízí tryskání, leštění, lakování i pokovení (electroplating), spolu s CNC doobrobením přesných ploch. Díl tak dodává jako 100% hotový výrobek připravený k montáži.

Kdy se vyplatí přejít na tlakové lití místo gravitačního?

Tlakové lití do dlouhodobé kovové formy dává ekonomický smysl od sérií zhruba 1000 kusů a výše, kdy nižší jednotková cena odlitku vyváží vyšší vstupní náklady na tlakovou formu.

Zdroje