Kastalon 利用 3D 列印模具創造新聚氨酯產品類別

裝配線的輸送機滾筒、雲霄飛車的剎車片以及將戰鬥機固定到位的輪擋，這些零件是機構裡不可或缺的一環，卻大多隱藏在看不見的地方。聚氨酯 (Polyurethane) 部件對於整個系統的運行至關重要，儘管它們可能不是看到產品時我們第一個想到的材料。為了使大型組件順利運行，聚氨酯零件的設計需要優化材料使用、嚴格的公差以及長時間的承載或變形。

Kastalon是伊利諾州的聚氨酯製造商，數十年來致力於解決問題，生產數千種客製化聚氨酯零件，可以滿足各種不同的要求。產品工程師 Brian Baer 向我們說明了 Form 3L 大型雷射光固化 (SLA) 列印機如何為加工、製造輔助設備和新品研發帶來新機會。

「能夠 3D 列印全新模具對於微小的改變和調整來說是一個非常大的優勢。我們能夠實現 +/- .005 的公差，這對我們來說也很棒。我們做了以前做不到的事情，而且數量正在穩步增加。」－Brian Baer，工程師

Kastalon 將 3D 列印與傳統加工結合

Kastalon 設計和製造數百個客製化模具，以生產數十萬個聚氨酯零件。傳統上，當客戶提交最終用途零件請求時，Kastalon 團隊會在使用鋁或鋼加工模具之前評估零件的成型可行性。

過去，加工過程的費用和複雜性有時迫使 Kastalon 像許多塑膠製造商一樣，拒絕那些過於複雜而無法成型或對於小批量和原型製作來說不具有成本效益的零件。具有太多互鎖特徵、微小通道或銷釘的模具通常設計、加工效率低下，有時甚至需要完全重做。儘管如此，拒絕生意還是很困難，而且由於Baer在學校接觸過各種 3D 列印技術，他開始研究其他製造模具的方法。

幾年前對 3D 列印的嘗試讓團隊中的一些人對該技術產生了厭煩，因此 Baer 在他的研究中需要尋找特定的要求。他們需要一台能夠處理 +/- 0.005 英寸公差的機器、能夠承受 180-300 °F 成型溫度的材料以及一個價格實惠的系統。

「直到我找到 Formlabs 並看到各種能夠承受高溫並能完成非常具體的事情的材料，我才意識到這台印表機實際上可以應用於我們所做的東西類型。」－Brian Baer，工程師

2022 年底，Form 3L 抵達 Kastalon 辦公室，但需要進行一些測試才能讓每個人都參與其中。起初，同事們對材料和可能的公差持懷疑態度，直到Baer印製了一些測試件。「我列印了機械工廠的一個零件，他們進行了 RA 表面粗糙度測試。商店經理對它符合我給他的規格以及零件的光滑程度印象深刻，」貝爾說。

Baer 表示，現在，機械工廠經理是第一個將零件發送給他進行 3D 列印而不是進行機械加工的人。「當我們有可以套用 3D 列印的工作時，他是第一批建議使用 3D 列印的人之一。機械工廠擠滿了大型專案 - 如果有任何可以列印的較小項目，他希望我們接受並為他提供更多資源，」Baer 說。

幾何、測試和操作方面的新機遇

3D 列印為聚氨酯零件成型開闢了新的可能性。Kastalon 的工程團隊可以嘗試金屬模具無法完成的新設計功能和幾何形狀，或對設計進行微小更改，而不必擔心浪費加工模具。團隊可以自信地提出新設計，因為他們能夠進行廣泛的測試和迭代，而不必擔心因微小的變化而使機械工廠陷入困境。

尾部拉拔器夾具模具：透過 3D 列印實現


▲Kastalon 不得不拒絕一位客戶，因為該客戶要求零件在頂部有 24 個偏置盲孔，這種模具太難加工了。	▲借助Form 3L和耐高溫樹脂，Baer 能夠在一天之內列印並鑄造成品聚氨酯零件（右）。

在 Form 3L 到達之前，Kastalon 團隊必須告訴客戶他們無法接受尾部拉拔器夾具模具零件的訂單。儘管經過大量試驗和錯誤後這可能是可行的，但 24 個高引腳的陣列並不能完全貫穿，並且它們之間的間隙為 0.03125 英寸。

間隙以及每個孔都是盲孔且端部偏離頂面的事實意味著該零件需要使用非常精密的長刀具進行極其困難的加工。另一種選擇是單獨製作每個銷釘，然後對它們進行鍵控，以便它們以正確的方向對齊 - 對於直徑僅為 0.104 的銷釘，這不是一件容易的事情。

在評估了這些不同的可能加工流程後，團隊不得不拒絕接受訂單。「我們花了很長時間討論是否可行，最後決定告訴客戶不，」Baer說。

僅僅幾週後，Form 3L 就到了，Baer 在半天內設計並列印了模具，以演示 3D 列印此類複雜幾何形狀的商業案例。材料成本只花費約 30 美元，並用兩小時進行設計。「每個人都立即對 3D 列印產生了極大的尊重。這讓我們許多工廠員工大開眼界，他們說，『我們可以接受更多訂單，因為我們現在可以做這樣的事情，』」Baer說。

防壓輪

▲這些輪子模具（左、上、下）和輪子（右）被設計成在超載的情況下均勻變形——淚滴形孔均勻地分配重量，因此輪子不會壓碎產品。

當模具因微小特徵而難以加工時，就是Form 3L大放異彩的時刻。這些小型防壓輪用於將軟產品（例如紙板包裝）壓在輸送系統上，用於代替彈簧組件 — — 輪子本身均勻變形以輕輕地變形，而不是彈簧臂向紙板施加壓力。將紙板固定到位。

然而，車輪模具用於模製車輪淚滴狀孔的「翅片」之間的間隙非常小，因此幾乎不可能製造模具。

輪子寬 2 英寸，翅片之間的壁厚為 0.125 英寸。「兩英寸深、間隙為 0.125 英寸是可能的，但如果你試圖向機工傳達這樣的設計，他們將會對你生氣，」Baer說。

除了加工難度之外，多部分鋁模具還會產生更複雜的組裝過程。有一個權衡：將帶有翅片的模具作為一個整體進行加工（如上圖所示），這使得間隙對機工來說變得非常困難，或者單獨製作所有翅片並將它們組裝成一個整體，這將意味著更多設置和更多小部件的組裝，這也會增加機械工廠的勞動和干擾。

3D 列印成為合理的解決方案，Baer 在 Solidworks 中輕鬆設計了一個帶有可拆卸軸承的兩部分模具，然後在 Form 3L 上使用耐高溫樹脂和高強度 10K 樹脂進行列印。該團隊使用高強度 10K 樹脂為客戶鑄造了 25 個車輪，其成本僅為機械加工模具成本的一小部分。「我們已經製造了許多品種和款式的車輪，它們都非常小，這是我們在 Form 3L 之前無法做到的，因為它對我們來說不具有成本效益，」 Baer 說。

大型彈簧的內部測試模型


▲像這些紅色彈簧的聚氨酯零件傳統上是用大型鋁模具鑄造的。	▲這些鋁模具，或在某些情況下是鋼模具，加工起來既昂貴又耗時。

休士頓太空人隊棒球場有一個可伸縮的圓頂，可以應對惡劣天氣，Kastalon 負責提供彈簧，使圓頂即使在颶風條件下也能保持拉緊和功能。

在製造體育場大小的彈簧所需的模具之前，Kastalon 團隊使用縮小版本對設計和材料進行了廣泛的測試。稍微改變設計並測試不同幾何形狀和不同聚氨酯配方的彈簧剛度變化，確保其最終產品針對長時間的強應力進行了最佳化。

然而，儘管改變了尺寸，每個鋁模仍然很昂貴，特別是如果只是用於內部測試的話。現在，Form 3L 允許團隊以低很多的成本測試許多不同的彈簧設計，並且不佔用機械工廠的資源。


▲這些模具（耐高溫樹脂，左）和鑄造聚氨酯彈簧（橙色，右）是原型，其幾何形狀用於複製堆疊碟形彈簧。	▲3D 列印使 Baer 和團隊能夠試驗新的幾何形狀和設計，而無需為機械工廠增加更多工作。

「我們現在可以列印和測試許多奇怪的形狀和幾何形狀，而在以前，僅用於測試或研發就需要花費難以估量的資金，」Baer說。在不增加加工材料和勞動高成本的情況下測試新的複雜形狀和幾何形狀，使 Kastalon 不僅能夠承擔更多業務，而且能夠為當前客戶製造更好的零件。

滾筒模具：避免加工軟質聚氨酯

對於滾筒塗層或套筒塗層，傳統的工作流程包括聚氨酯材料的圓柱形鑄件和額外的加工步驟，以將外徑減小到所需的尺寸和表面光潔度。根據滾輪應用，可以以各種樣式和尺寸完成加工凹槽的額外步驟。在這種特殊情況下，在軟質聚氨酯中加工長水平凹槽成為一項艱鉅的任務。對於大訂單，這種手動、勞動密集型加工步驟會削減訂單利潤，並佔用機械工廠數小時的時間。「加工軟質聚氨酯很麻煩，它並不總是能給您帶來好的結果，並且在切割時並不總是能提供出色的表面效果，」Baer 說。

直接加工每個滾輪的凹槽大約需要三個小時，但加工單個金屬模具成本太高且風險太大，特別是當以前從未製造過具有這種幾何形狀的模具並且不知道它是否能工作時。為了製造金屬模具，團隊需要拉繩工具或帶有分度頭的成型機，這兩種設備都是昂貴的設備，專門針對某些幾何形狀和應用。


▲加工軟質聚氨酯可能既麻煩又耗時，尤其是像這個滾筒這樣的大型零件，它被鑄造成圓柱體，然後進行加工以形成最終形狀。	▲當零件很小時，加工微小的凹槽幾乎是不可能的。Baer已經開始列印預先開槽的模具，因此每次鑄造都會創建一個完整的零件，而無需額外的加工。

Baer認識到了這種情況，並決定嘗試一些新的東西。他設計並列印了一個模具，可以將聚氨酯澆鑄成他們需要的凹槽形狀。將其直接列印在採用高溫樹脂或高強度 10K 樹脂的 Form 3L 上，提供了一種經濟高效的解決方案，消除了數小時的手工勞動。

在選擇材料時，Baer 會考慮解析度和層高、每公升成本、強度和顏色/透明度，並且大多數時候會在耐高溫樹脂和高強度 10K 樹脂之間進行選擇。對於原型、一次性或非常小批量的成型應用，使用耐高溫樹脂是因為其成本較低且透明——對於原型來說，了解內部情況有助於評估是否需要更改。然而，對於團隊打算大量鑄造的零件，他們將依賴高強度 10K 樹脂的先進機械性能。「我們最近一直在使用高強度 10K 樹脂，主要是因為它可以更好地承受脫模。」

產能增加和產品改進

在不到一年的時間裡，Form 3L 改變了 Kastalon 的決策流程。工程團隊不再受到傳統加工的限制，可以接受他們以前從未嘗試過的新訂單，並優化了花費數千美元勞力和材料流程。

「我們的數量一直在增加。我們已經獲得了很大的信心，Form 3L 的訂單一直在穩步增加。我們能夠嘗試新事物，並幫助銷售團隊為客戶提供他們想要的東西，甚至是其中一兩個，只是為了看看這是可能的。」－Baer，工程師

Kastalon 的機工因其準確性、一致性和卓越而享有盛譽。將 3D 列印模具添加到組合中一開始很難接受，但結果不言而喻。透過展示雷射光固化技術可能實現的機械性能、公差和幾何自由度，甚至機械工廠工頭也可以將零件送到列印機。

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