100%硅膠材料打印生產(chǎn)成品汽車連接器密封件

來源：3D打印 Formlabs?作者：線束世界?2024-08-21 09:28

修復(fù)古董車時(shí)，很難找到維修發(fā)動(dòng)機(jī)所需的部件，要找到合適的連接器更是難上加難。HGM 汽車電子設(shè)備公司借助3D打印技術(shù)，使用硅膠40A樹脂材料，助力汽車連接器密封件設(shè)計(jì)。有別于其他制造方式和打印材料，硅膠40A樹脂材料不僅具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐化學(xué)腐蝕性，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

HGM 汽車電子設(shè)備公司（HGM Automotive Electronics，以下簡稱HGM Automotive)是一家面向汽車售后市場(chǎng)設(shè)計(jì)和制造高品質(zhì)電子系統(tǒng)的專業(yè)制造商。

最近，HGM Automotive的研發(fā)總監(jiān)蓋伊·卡德威爾（Guy Cardwell）面臨著一個(gè)棘手的問題：公司經(jīng)常需要修復(fù)古董車，但尋找維修或恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的部件是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。特別是在原廠部件已停產(chǎn)的情況下，要找到合適的連接器和其他電子元件更是難上加難。

在這種情況下，他們將目光轉(zhuǎn)向了3D打印，決定使用該技術(shù)進(jìn)行原型制造和小批量生產(chǎn)，以便在公司內(nèi)部實(shí)現(xiàn)按需制造部件。然而，蓋伊所在的汽車行業(yè)受到嚴(yán)格監(jiān)管，需要滿足特定要求，如防護(hù)等級(jí)（IP等級(jí)）和耐化學(xué)腐蝕性。因此，材料選擇至關(guān)重要。在汽車連接器密封件中，最常用的材料是軟硅膠，但其生產(chǎn)方法受到很大限制。對(duì)于小批量生產(chǎn)而言，注射成型的成本過高，而傳統(tǒng)的硅膠鑄造則耗時(shí)過長。

隨著硅膠40A樹脂（Silicone 40A Resin）的面世，蓋伊表示他們終于找到了“理想材料”。作為市場(chǎng)上經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的純硅膠3D打印材料，它非常適合制造柔韌且耐用的部件。通過嚴(yán)格的化學(xué)和機(jī)械測(cè)試，該材料在成品汽車部件中表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和耐化學(xué)腐蝕性。該公司參與了這款新材料的測(cè)試計(jì)劃，并決定將其用于原型制造，現(xiàn)目前的主要目標(biāo)是開始進(jìn)行成品部件的小批量生產(chǎn)。

硅膠40A樹脂很出彩，它與原始供應(yīng)商提供的原材料非常接近。

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HGM汽車電子設(shè)備公司使用硅膠40A樹脂借助3D打印技術(shù)制作的連接器密封件

攻堅(jiān)克難：使用硅膠3D打印連接器密封件

基于電子連接器成功生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，HGM Automotive開始嘗試定制密封件。這類密封件在市場(chǎng)上采購難度大，而且現(xiàn)有的組件質(zhì)量通常較差。開發(fā)定制密封件的主要難點(diǎn)在于缺乏合適、柔軟的彈性材料。雖然可以制作注射模具，再使用非常柔軟的聚氨酯來生產(chǎn)這些部件，但這種生產(chǎn)方式的缺點(diǎn)是費(fèi)用較高。僅僅制作注射模具的費(fèi)用就高達(dá)6000至1萬美元。如果需要制造1萬個(gè)同類部件,則可以有效均攤成本。但實(shí)際情況是，每年僅需要100到1000個(gè)部件。此外，一旦注射模具制作完成，就幾乎無法再更改設(shè)計(jì)。對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的連接器密封件來說，處理起來非常麻煩。因此，蓋伊表示:“歸根結(jié)底還是成本和靈活度的問題?！?/span>

另一個(gè)選擇是使用常規(guī)的可澆注硅膠鑄造方法，HGM Automotive過去在制造其他部件時(shí)采用過這種方法。然而，這個(gè)連接器的設(shè)計(jì)相當(dāng)特殊、復(fù)雜，需容納九根電線穿過密封件。此外，密封件的孔洞和幾何形狀也使得模具脫模困難，因此，只有3D 打印技術(shù)才能滿足其對(duì)精細(xì)度的高要求。

雖然鑄造方式有不同種選擇，但對(duì)于這種復(fù)雜的幾何形狀，需要非常小心地操作，同時(shí)制造過程也相當(dāng)耗時(shí)。因此，與其他所有工藝相比，能夠進(jìn)行批量制造的3D打印技術(shù)無疑是理想的解決方案。

——蓋伊 HGM Automotive研發(fā)總監(jiān)

確定使用3D技術(shù)解決這個(gè)難題后，HGM Automotive起初嘗試使用 Formlabs 柔軟靈活的彈性50A樹脂（Elastic 50A Resin）?打印連接器密封件，但這種材料的柔軟程度仍無法滿足要求。蓋伊補(bǔ)充道，由于連接器需進(jìn)行手工組裝，若使用硬度較高的材料（例如聚氨酯）而非硅膠制造密封件，很有可能導(dǎo)致線束制造商為了克服材料造成的影響，在組裝連接器時(shí)花費(fèi)兩到三倍的時(shí)間。

隨著硅膠40A樹脂的發(fā)布，HGM Automotive終于找到了理想的材料，能夠在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。這種新材料的主要優(yōu)勢(shì)在于它與生產(chǎn)材料非常相似，同時(shí)應(yīng)用范圍廣泛。在HGM Automotive的應(yīng)用中表現(xiàn)了超卓的性能，尤其在彈性、抗撕裂強(qiáng)度和柔韌性方面。團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃將其用于制造連接器密封件以外的其他應(yīng)用中。

硅膠40A樹脂有助于提高設(shè)計(jì)靈活性，幫助我們實(shí)現(xiàn)以前只能使用高成本和耗時(shí)長的成型工藝才能制作的設(shè)計(jì)，從而拓展新的市場(chǎng)，并制造出以往成本較高或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品。與其他3D打印解決方案相比，通過Formlabs SLA 打印機(jī)使用硅膠40A樹脂，能夠打印出質(zhì)量和耐用性可與硅膠或熱塑性聚氨酯成型部件相媲美的柔軟連接器密封件。

? ? ? ? ——蓋伊 HGM Automotive研發(fā)總監(jiān)

比較方法	使用硅膠40A樹脂進(jìn)行3D打印的優(yōu)勢(shì)
外包注射成型	-周轉(zhuǎn)時(shí)間縮短90% -成本降低98%
內(nèi)部可澆注硅膠鑄造	-實(shí)現(xiàn)具有精細(xì)特征分辨率的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu) -減少人工成本、出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)和周轉(zhuǎn)時(shí)間 -可重復(fù)生產(chǎn)生產(chǎn)規(guī)?？稍?0到1000個(gè)部件之間調(diào)整

_	周轉(zhuǎn)時(shí)間	成本
外包注射成型	3-4周	-模具制作成本為1萬美元 -單件成本為0.5美元
使用硅膠40A樹脂在內(nèi)部進(jìn)行3D 打印	25個(gè)部件需要 6小時(shí)	單件成本為1-2美元

借助硅膠40A樹脂進(jìn)行3D打印，對(duì)于100個(gè)連接器密封件的生產(chǎn)量，HGM Automotive將成本降低了98%，將周轉(zhuǎn)時(shí)間縮短了90%。

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根據(jù)PreForm 軟件中加載的HGM Automotive連接器密封件的 CAD 文件，其中有九根電線穿過密封件，且密封件厚度約為一厘米。由于其復(fù)雜的幾何形狀和精密的細(xì)節(jié)，注射成型模具或可澆注硅膠鑄造模具難以制造該部件。然而，使用 Form 3+打印25個(gè)連接器的時(shí)間為4小時(shí)30分鐘。

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3D打印的連接器密封件，并與其外殼和電子元件組裝

滿分答卷：耐高溫與耐化學(xué)腐蝕的雙重結(jié)合

在汽車應(yīng)用中，密封件需要在水下1至2或3米（具體取決于應(yīng)用場(chǎng)景）的深度中保持理想的防水性能。此外，針對(duì)所有標(biāo)準(zhǔn)汽車液體（主要是水、油和變速器油），它們還需要具備良好的耐化學(xué)腐蝕性。為了評(píng)估這些部件的性能，蓋伊制作了幾個(gè)樣品部件，并將其置于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行功能性測(cè)試。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的情況下，這些樣品在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)放置超過六周時(shí)間，以測(cè)試溫度和化學(xué)腐蝕性對(duì)密封件的影響。

蓋伊說道：“我們將密封件置于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的不同液體中進(jìn)行熱循環(huán)測(cè)試，包括水中測(cè)試、變速器油靜態(tài)測(cè)試以及防凍液測(cè)試?！?在經(jīng)過六周的熱循環(huán)和各種液體接觸測(cè)試后，團(tuán)隊(duì)對(duì)硅膠40A樹脂的防水性和耐高溫性能十分滿意。汽車電子產(chǎn)品的工作溫度范圍通常在-40°C 至105°C 之間。由于其玻璃化溫度 (Tg) 為 -107°C，硅膠40A樹脂在-25°C 至125°C 范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的耐高溫性，完全滿足了團(tuán)隊(duì)的耐高溫需求。蓋伊表示：“我對(duì)測(cè)試結(jié)果的預(yù)期是，這種材料的性能應(yīng)與注射成型硅膠相當(dāng)。” 而測(cè)試結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。硅膠40A樹脂材料的特性完全符合他們對(duì)成品材料的期望，變成了他們材料庫中的理想選擇。

“硅膠40A樹脂在柔韌性和可加工性方面完全滿足了我們的應(yīng)用需求。截至目前，在團(tuán)隊(duì)的測(cè)試過程中，硅膠40A樹脂的耐化學(xué)腐蝕性與原應(yīng)用中的鑄造硅膠或注射成型硅膠不相上下。”

? ? ? ? ——蓋伊 HGM Automotive研發(fā)總監(jiān)

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HGM Automotive在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)卻液箱內(nèi)對(duì)使用硅膠40A樹脂材料打印的連接器密封件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

經(jīng)過仔細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，HGM Automotive團(tuán)隊(duì)對(duì)這種新型純硅膠樹脂非常滿意，認(rèn)為它完全符合他們的需求。他們計(jì)劃將其應(yīng)用于連接器密封件的成品生產(chǎn)，預(yù)計(jì)年產(chǎn)量在500到1000個(gè)部件之間。同時(shí)，蓋伊還在加緊擴(kuò)展該樹脂的應(yīng)用范圍，他補(bǔ)充說：“僅針對(duì)連接器，至少有四種產(chǎn)品可以立即采用這種樹脂?！?/p>

釋放潛能：HGM團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新不斷，開拓全新市場(chǎng)

除了使用硅膠40A樹脂打印連接器密封件，蓋伊團(tuán)隊(duì)正在嘗試開發(fā)不同類型的定制密封件、墊片以及新型高壓硅膠絕緣線圈套。

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使用硅膠40A樹脂進(jìn)行3D打印制造的火花塞線圈套

“我清楚地記得，當(dāng)我向同事們展示一些樣品部件時(shí)，他們無不驚嘆地說：‘哇，你是怎么做到的’，這種材料展現(xiàn)出如此優(yōu)越的性能，讓我們都為之振奮。只有在實(shí)際應(yīng)用后，你才能真正領(lǐng)略到這種材料所蘊(yùn)含的巨大潛力。連接器僅是一個(gè)開始，我們將在更多產(chǎn)品中運(yùn)用這種材料。我對(duì)它的應(yīng)用前景充滿信心。如果你問我明天要如何應(yīng)用3D打印和硅膠40A樹脂這類材料？答案就是：一切皆有可能。”

? ? ? ? ——蓋伊 HGM Automotive研發(fā)總監(jiān)

硅膠40A樹脂出眾的性能讓HGM Automotive能夠?qū)崿F(xiàn)過去只能通過高昂成本且耗時(shí)的工藝才能完成的設(shè)計(jì)，從而幫助他們開拓全新的市場(chǎng)領(lǐng)域。這也正是Formlabs的核心信念，通過精心設(shè)計(jì)的產(chǎn)品和服務(wù)賦能客戶，讓所有人能夠?qū)?chuàng)意和想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，從不太可能變?yōu)闊o限可能。

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