使用矽膠 3D 列印生產最終用途汽車連接器密封件
▲ HGM 汽車電子的連接器密封件採用矽膠 40A 樹脂 3D 列印。
HGM 汽車電子是一家專業製造商,為汽車售後市場設計和提供領先的電子系統。
HGM 汽車電子研發總監 Guy Cardwell 強調,他們在 HGM汽車產業面臨的挑戰之一是,很難找到維修或修復引擎的零件,因為他們使用的許多車輛都是老式車輛。連接器和其他電氣元件變得更加難以找到,特別是隨著這些產品的原始生產逐步淘汰。
他們轉向 3D 列印進行原型設計和小批量生產,因為這是在內部按需製造零件的最佳選擇。然而,這是一個受監管的行業,需要遵循入口防護 (IP) 等級和耐化學性等特定要求,因此材料的選擇非常重要。汽車連接器密封件中最常用的材料通常是軟矽膠,但生產它的選擇確實很少。雖然射出成型對於小批量生產來說成本高昂,但傳統的矽膠鑄造是一種耗時的方法。
Cardwell 表示,隨著矽膠樹脂(第一種可用於製作柔軟、柔韌且耐用零件的 100% 有機矽 3D 列印材料)的推出,他們找到了「完全正確的材料」。透過嚴格的化學和機械測試,他們證明了這種新材料對於最終用途汽車零件具有優異的機械性能和耐化學性。該公司是新材料測試計劃的一部分,並將其用於原型設計,但他們現在的主要目標是開始小批量生產最終用途零件。
「40A 矽膠樹脂非常完美。它與供應商提供的原始材料非常相似。」-Guy Cardwell,HGM 汽車電子研發總監
採用 40A 矽膠樹脂的升降連接器密封設計
比較方式 | 使用矽膠40A樹脂進行3D列印的優點 |
外包射出成型 | 交貨時間縮短 90% |
內部澆注矽膠鑄件 | 實現具有精細特徵分辨率的具有挑戰性的複雜幾何形狀 |
隨著他們生產的電連接器的成功,HGM 汽車開始嘗試客製化密封件。這些是很難在公開市場上找到的組件,如果是的話,那麼它們的品質通常很差。由於缺乏適當柔韌的彈性體材料,開發連接器客製化密封件面臨挑戰。他們可以製作注塑模具並使用非常柔軟的聚氨酯來生產零件。缺點是這個模具的啟動成本在 6,000 到 10,000 美元之間。如果他們需要 10,000 個這樣的零件,那麼成本是合理的,但實際情況是每年的數量在 100 到 1,000 個之間。此外,模具一旦製成,幾乎不可能改變設計。特別是對於幾何形狀複雜的連接器密封件來說,這是一個真正的障礙。「這只是成本和靈活性的問題,」Guy Cardwell說。
| 交貨時間 |
外包注塑 | 3-4週 |
使用內部矽膠樹脂進行 3D 列印 | 6 小時完成 25 個零件 |
對於 100 個連接器密封件的生產量,HGM 汽車將成本降低了 98%,並將交貨時間縮短了 90%。
最初,他們使用 Formlabs 柔軟且富有彈性的柔性50A 樹脂列印連接器密封件,但即使是這種材料也不夠柔韌。他補充說,由於連接器是手動組裝的,因此線材製造商可能需要兩到三倍的時間才能使用聚氨酯等較硬的材料而不是矽樹脂密封件來組裝連接器,「僅僅是因為他們正在對材料進行加工。 ”
另一種選擇是轉向常規的可澆注矽膠鑄件,他們過去曾在其他部件上這樣做過。然而,這種特定的連接器設計有九根電線穿過密封件,因此設計非常複雜。它的孔和幾何形狀會導致脫模變得困難,而且整體細節水平僅需要 3D 列印的精確度。
「你可以透過鑄造來做到這一點,但你必須非常非常小心(對於複雜的幾何形狀),而且這非常耗時。因此,與所有其他工藝相比,能夠批量進行 3D 列印就已經是一種奢侈了。」-Guy Cardwell,HGM 汽車電子研發總監
▲ PreForm 軟體中載入了 HGM 汽車電子連接器密封件的 CAD 檔案。九根電線穿過約一公分厚的密封件。由於它是一個具有精細細節的複雜幾何形狀,因此射出成型或可澆注矽膠鑄造的工具實現起來很複雜。在 Form 3+ 上列印 25 個連接器只需要 4 小時 30 分鐘。
▲連接器密封件經過印刷並與外殼和電子裝置組裝在一起。
「它是一種完美的材料,因為它與生產材料非常相似。」-Guy Cardwell,HGM 汽車電子研發總監
矽膠樹脂使 HGM 能夠將小批量生產的製造流程保留在內部,而且它可以以多種不同的方式使用這一事實非常引人注目。該團隊已經預計它除了連接器密封件之外還有其他用途。新材料的主要優點在於其與生產材料非常相似,為 HGM 汽車電子應用提供了理想的性能,特別是在彈性、撕裂強度和柔韌性方面。
「矽膠樹脂使我能夠靈活地進行以前只能透過非常昂貴且耗時的成型工藝才能完成的設計,使我們能夠探索新市場並製造以前極其昂貴或複雜的產品。其他 3D 列印解決方案可以列印某些類型的鬆緊帶,但只有使用矽膠樹脂的 SLA Formlabs 列印機能夠創建與矽膠或 TPU 模製部件的品質和耐用性相匹配的軟連接器密封件。」-Guy Cardwell,HGM 汽車電子研發總監
從測試到勝利:矽膠樹脂滿足產業對溫度和耐化學性的要求
「矽膠樹脂具有我們此應用所需的所有適當的柔韌性和可加工性特性。到目前為止,在我們的測試中,耐化學性與我們對該應用中使用的鑄造或註塑矽膠的預期一致。」-Guy Cardwell,HGM 汽車電子研發總監
在汽車應用中,您通常會遇到需要防水密封件能夠承受一米到兩米或三米深度的情況,具體取決於應用。此外,所有標準汽車油都有耐化學性要求,主要是水、油和傳動液。為了測試這些零件,Cardwell列印了幾個樣品,並在他的汽車引擎室中對它們進行了功能測試。列印的有機矽樣品在正常操作條件下留在引擎室中,以測試其溫度耐化學性六週以上。
▲ HGM 汽車電子公司正在對汽車引擎冷卻液箱內的矽膠樹脂 3D 列印連接器密封件進行現場測試。
「我們將它們留在引擎室內的不同液體中進行熱循環。我們用水進行了測試,並用變速箱油和防凍劑進行了靜態測試,」Cardwell說。他補充說,「這些密封件實際上防止入侵的主要因素通常是水。」經過六週的熱循環和各種液體暴露後,Cardwell強調了矽膠樹脂的水密性和耐溫性。汽車電子產品的溫度範圍為 -40°C 至 105°C。矽膠樹脂的玻璃化轉變溫度 (Tg) 為 -107°C,耐溫性為 -25°C 至 125°C,完美滿足了他們的耐溫需求。「我繼續對這種材料進行了測試,假設它的性能與同類射出矽膠類似,」它確實做到了。矽膠樹脂的材料特性與他對最終用途材料的期望完美契合,使其成為他們武器庫的完美補充。
經過廣泛的現場測試後,HGM 團隊對新型 100% 有機矽樹脂以及它如何滿足他們的要求感到非常滿意。他們打算將其用於連接器密封件的最終用途零件生產,預計每年產量為 500 至 1,000 件。Cardwell正在研究進一步開發這種樹脂的用途,並補充說,「至少有四種產品立即具有吸引力,僅在連接器方面。」
在 HGM 汽車電子解鎖未來創新
矽膠樹脂使 HGM 汽車能夠靈活地開發只能透過昂貴且耗時的製程才能完成的設計,使他們能夠開拓新市場。
「我記得我剛把一些樣品零件分發給公司的各個員工,每個人都驚掉了下巴,『哇,你是怎麼做做到的?』因此,作為一種材料,它對我們來說是令人興奮的。而且你不知道未來的應用會是什麼樣,直到你真正使用它,那時你才真正開始理解。我預計我們不會停止連接器。我們還會用這個來做很多其他的事情。我心裡沒有任何疑問。」-Guy Cardwell,HGM 汽車電子研發總監
展望未來,Cardwell期待能夠告訴他的客戶,他可以生產一件由軟橡膠製成的定製件。他正在考慮開發不同類型的客製化密封件、墊圈和新型高壓矽膠絕緣套,如下所示。
▲ 使用矽膠樹脂 3D 列印的火星塞護套。
「我可以告訴你明天我要用 3D 列印矽膠做什麼嗎?不,但我很想知道。」-Guy Cardwell,HGM 汽車電子研發總監