3D metal printing of mold inserts

Abstract

Studied in this thesis work are the pros and cons of manufacturing the mold inserts in metal with 3D printing technique. Current molds used by ABB Oy are made with the traditional method, CNC-machining. The purpose of the research work is to clarify the manufacturing differences between CNC-machining and 3D printing the mold inserts. Highlighted research questions are the benefits of 3D printing the mold inserts. The goal is to use the 3D printed mold inserts in injection molding for mass-producing a plastic cover in polycarbonate, used in ABB’s low voltage switches. The design freedom offered by 3D printing is studied for potential optimized mold design of cooling channels, which would shorten the injection molding cycle time.

The mold inserts are 3D printed with the additive manufacturing method, selective laser melting (SLM) by subcontractors of ABB. Post process methods such as electrical discharge machining and heat treatment are mandatory in order for the mold to be functional. Material options taken into consideration for the mold inserts are aluminum, tool steel and stainless steel.

Nearly all research questions got clarified for continued research in the future. The outcome indicates positive characteristics for both manufacturing methods. The distinction is mainly the different manufacturing process, even though the possibility to achieve same results.

Forskat i denna avhandling är potentiella positiva och negativa aspekter för 3D-printning av formverktyg i metall. Nuvarande formverktyg i användning av ABB Oy är tillverkade med den traditionella tillverkningsmetoden CNC bearbetning. Syftet med forskningsarbetet är att klargöra tillverkningsskillnaderna mellan CNC-bearbetad och 3D printad formverktyg. Huvudsakliga undersökningsfrågor är fördelarna med att använda 3D printing för att tillverka formverktyg. Målet är att använda den 3D printade formen i formsprutning för massproduktion av ett plastlock i polykarbonat som används i ABB:s lågspänningsomkopplare. Även designfriheten som 3D printing erbjuder är undersökt för potentiell optimering av formens kylkanaler, som skulle förkorta formsprutnings cykeltiden.

Formen är framtagen av underleverantörer med additivtillverkningsmetoden, selektiv lasersmältning (SLM). Vissa efterbehandlings metoder som t.ex. gnistbearbetning och värmebehandling är obligatoriska för att formen skall kunna användas. Materialval som tas i beaktande för formen är aluminium, verktygsstål och rostfritt stål.

Nästan alla forskningsfrågor klargjordes för möjlighet till framtida fortsatt forskning. Resultatet tyder på positiva egenskaper för båda tillverkningsmetoderna. Skillnader är främst i tillverkningsprocessen, fastän samma resultat kan uppnås.

Tässä opinnäytetyössä on tutkittu mahdollisia positiivisia sekä negatiivisia näkökohtia muotti insertteistä jotka ovat 3D tulostettu metallista. ABB Oy: n nykyiset käyttämät muotit valmistetaan perinteisellä, CNC koneistus menetelmällä. Tutkimustyön tarkoituksena on selventää CNC koneistuksen ja 3D tulostettujen valmisteiden erot ja lopputulokset. Yksi tärkeimmistä tutkimuskysymyksistä oli selvittää mitä etuja muotti insertin 3D tulostuksessa on. Tavoitteena on käyttää 3D tulostettua muottia muovikotelon massatuotantoon polykarbonaatista, joka valmistetaan ruiskuvalu menetelmällä, jota käytetään ABB:n pienjännitekytkimissä. Myös 3D-tulostuksen tarjoamaa suunnitteluvapautta mahdollisten jäähdytyskanavien optimoimiseen tutkitaan ja että miten ruiskupuristuksen aikaa lyhennetäisiin.

Muotti on 3D tulostettu ABB: n alihankkijoiden tekemällä lisäaineen valmistusmenetelmällä, selektiivisellä laser sulatuksella (SLS). Jälkiprosessimenetelmiä, kuten sähköpurkauksen työstö ja lämpökäsittely ovat välttämättömiä, jotta muottia voidaan käyttää. Materiaalivaihtoehdot, jotka tutkittiin muotin käyttöön, ovat alumiini, työkaluteräs ja ruostumaton teräs.

Lähes kaikki tutkimuskysymykset selvitettiin tulevaisuuden jatko tutkimukselle. Tulos osoittautui positiiviseksi ominaisuudeksi molempiin menetelmiin. Erona pääasiassa on erilainen valmistusprosessi saman tuloksen saavuttamiseen.