W jaki sposób druk 3D metalu może pomóc w produkcji precyzyjnych form?

1. Swoboda projektowania: pokonanie geometrycznych ograniczeń tradycyjnej produkcji
Dodając warstwy zamiast je usuwać, druk 3D w metalu całkowicie zmienia logikę „przetwarzania subtraktywnego” w tradycyjnym wytwarzaniu form. Ta cecha technologiczna pozwala projektantom form wyjść poza ograniczenia tradycyjnych metod w przypadku skomplikowanych konstrukcji i umożliwić następujące nowe zastosowania:
Projekt kanału wodnego dopasowanego do kształtu obiektu
W tradycyjnych systemach chłodzenia form powszechne są proste otwory lub zakrzywione kanały wodne. Trudno je dopasować do skomplikowanych kształtów produktu, co prowadzi do nierównomiernego chłodzenia i wypaczenia produktu. Druk 3D z metalu umożliwia natychmiastowe zbudowanie sieci kanałów przepływu 3D, która bardzo dobrze przylega do powierzchni produktu. Dzięki temu chłodzenie jest o ponad 40% wydajniejsze. Na przykład nowa firma zajmująca się pojazdami energetycznymi korzysta z form odlewniczych-wydrukowanych w 3D-komórek akumulatorów i optymalizuje konstrukcję kanałów wodnych, aby skrócić cykl formowania wtryskowego ze 120 do 75 sekund, zwiększyć wydajność produktu z 85% do 99,5% i wydłużyć żywotność formy ponad 100 000 razy, czyli trzykrotnie dłużej niż w przypadku metod tradycyjnych.
Wprowadzenie lekkiej konstrukcji
Druk 3D z metalu może zmniejszyć wagę o 30% do 50%, jednocześnie tworząc mocne formy, wykorzystując projekty biomimetyczne, takie jak struktury kratowe i puste kraty. Specjalna forma tarczy turbiny silnika lotniczego wykorzystuje strukturę siatkową ze stopu tytanu, która zmniejsza wagę o 42%, zachowując jednocześnie odporność na wysokie temperatury. To znacznie obniża koszty transportu i przetwarzania energii.
Zintegrowane formowanie części z wieloma funkcjami
W tradycyjnych formach części takie jak gorące dysze i mezony izolacyjne należy składać w kilku etapach, co może łatwo prowadzić do błędów. Druk 3D z metalu umożliwia wydrukowanie całej konstrukcji gorącej dyszy za jednym razem, co pozwala pozbyć się przerw pomiędzy sekcjami i sprawia, że ​​jest ona bardziej stabilna w wysokich temperaturach. Pewna firma wykorzystała druk 3D do wytworzenia pustych w środku sześciokątnych mezonów izolacyjnych. Zmniejszyło to zużycie energii przez system gorących kanałów o 25% i odkształcenie termiczne formy o 60%.
2. Integracja funkcji: Od pojedynczego formowania do optymalizacji całego procesu
Druk 3D z metalu nie tylko zmienia konstrukcję korpusów form, ale także zachęca cały proces produkcji form do tworzenia nowych pomysłów poprzez integrację funkcjonalną:
Formowanie z więcej niż jednego materiału
Dzięki technologii napawania laserowego różne materiały, takie jak metal-ceramika i metal-tworzywo sztuczne, można łączyć w jednej formie. Pewna firma wykonała „formę z kompozytu metalowo-ceramicznego”, drukując w 3D-warstwę ceramiczną o wysokiej twardości na-metalowym podłożu o wysokiej wytrzymałości. Dzięki temu forma jest trzykrotnie bardziej odporna na zużycie i wydłuża jej żywotność do ponad 150 000 razy, co doskonale sprawdza się przy wykonywaniu precyzyjnych elementów konstrukcyjnych w elektronice użytkowej, które wymagają szybkiego wykonania.
Wbudowany zaawansowany system czujników
Dzięki drukowi 3D można od razu umieścić w formie czujniki temperatury i ciśnienia, co tworzy system monitorowania „cyfrowego bliźniaka”. Pewna forma zderzaka samochodowego ma wbudowane-czujniki światłowodowe, które w czasie rzeczywistym monitorują rozkład pola temperatury we wnęce formy. Wykorzystuje również algorytmy AI do zmiany parametrów chłodzenia na bieżąco, dzięki czemu wielkość produktu utrzymuje się z dokładnością do ± 0,02 mm, a forma wytrzymuje ponad 200 000 zastosowań.
Szybka naprawa i regeneracja: technologia bezpośredniego osadzania energii (DED) umożliwia naprawę zużytych form w jednym miejscu, przywracając pierwotną dokładność wymiarów. Jeden z producentów samolotów wykorzystuje technologię napawania laserowego do mocowania form odlewniczych-ze stopu aluminium. Warstwa naprawcza przykleja się do podłoża z siłą 450MPa, a koszt naprawy to zaledwie 30% kosztu wykonania nowych form. Naprawa wytrzyma ponad 90% pierwotnego okresu użytkowania.
3. Wydajność materiałów uległa poprawie z „użytecznej” do „-wysokiej wydajności”.
Najważniejszą rzeczą wpływającą na żywotność formy jest to, jak dobrze działa materiał. Druk 3D metalu w znaczący sposób poprawia jakość materiałów formowych poprzez zastosowanie następujących technologii:
Stworzenie systemu specjalistycznych materiałów
W odpowiedzi na potrzeby warunków pracy form, firmy w Chinach i na całym świecie rozpoczęły produkcję szeregu specyficznych materiałów proszkowych:
Stal formierska ESU-H13: dzięki poprawie rozkładu węglików trwałość form-do odlewania ciśnieniowego wzrosła z 30 000 razy w przypadku technik standardowych do 60 000 razy. Wykorzystano go do wykonania ramek do telefonów komórkowych z serii Huawei Mate.
Stal o ultrawysokiej wytrzymałości CX: ma wytrzymałość na rozciąganie 1700 MPa i jest używana do wykonywania form do korpusów cylindrów silników samochodowych Bosch. Formy te wytrzymują ponad 80 000 cykli, czyli o 40% dłużej niż typowa stal S136.
Stop aluminium Al250C: Wytrzymuje ponad 5000 godzin w temperaturze 250 stopni i jest 50 razy lepszy niż stop aluminium Scalmalloy. Jest często stosowany w elementach konstrukcyjnych przemysłu lotniczego.
Nowe pomysły na proces obróbki cieplnej
Opracuj konkretną metodę obróbki cieplnej, która współpracuje ze sposobem, w jaki druk 3D łączy ze sobą warstwy:
Stopniowe hartowanie i obróbka kriogeniczna: Forma ze stali martenzytycznej 1.2709 jest bardzo twarda, ma twardość 52HRC i udarność CVN 10J. Dzięki temu jest wystarczająco mocny, aby wytrzymać ogromne obciążenia, jakich będą wymagać przyszłe pojazdy energetyczne.
Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP): Obróbka w temperaturze 1200 stopni / 150 MPa pozwala pozbyć się wewnętrznych porów w formach drukowanych w 3D. Dzięki temu są o 200% dłuższe i osiągają 95% żywotności typowych technik kucia.
Połączenie technologii wzmacniania powierzchni
Śrutowanie naddźwiękowe wytwarza warstwę naprężeń ściskających o grubości 300 µm na powierzchni formy. Dzięki temu specyficzna matryca do kucia wytrzymuje od 20 000 do 50 000 cykli dłużej.
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD): W procesie tym na powierzchnię gniazda formy nakładana jest powłoka diamentowa o grubości 0,05 mm, dzięki czemu jest ona 10 razy bardziej odporna na zużycie. Służy do wykonywania form do opakowań półprzewodników.
4. Zastosowania w biznesie i trendy na przyszłość
W przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i elektronicznym technologia druku 3D z metalu jest szeroko wykorzystywana.
W branży motoryzacyjnej firma Broadcom Precision wyprodukowała dla Tesli zintegrowaną formę odlewniczą-, wydrukowaną w 3D, która zmniejszyła liczbę elementów tylnej podłogi ze 171 do 1, zwiększyła wydajność produkcji o 40% i zapewniła żywotności formy 150 000 razy.
Relativity Space tworzy drukowane w 3D formy dysz ze stopu miedzi dla przemysłu lotniczego przy użyciu sprzętu EOS M400. Formy te wykorzystują technologię zielonego lasera, aby rozwiązać problem zbyt odblaskowego materiału miedzianego. Żywotność spełnia kryterium projektu SpaceX Starship, zgodnie z którym co tydzień wytwarzana jest jedna jednostka.
Firma Xiaomi Technology nawiązała współpracę z firmą Yisu Laser, aby-wykonać formy odlewnicze do ramek telefonów komórkowych z materiału ESU-H13. Formy te wytrzymują 120 000 cykli i mogą obsłużyć wysyłkę ponad 50 milionów egzemplarzy serii Xiaomi 14 rocznie.
W przyszłości druk 3D w metalu zmieni się w następujący sposób:
Integracja wielu materiałów i procesów: Łączne wykorzystanie technologii natryskiwania spoiwa (BJ) i topienia w złożu proszkowym (PBF) w celu szybkiego i taniego wykonywania dużych form.
Inteligentny projekt-oparty na sztucznej inteligencji: algorytmy projektowania generatywnego automatycznie optymalizują strukturę formy, co oznacza, że ​​wykorzystywane jest ponad 90% materiału.
Budowanie ekologicznego systemu produkcyjnego: korzystanie z materiałów proszkowych nadających się do recyklingu i-zamkniętego obiegu systemu produkcyjnego, który ogranicza emisję dwutlenku węgla w całym procesie produkcyjnym o 50%, jest zgodne z potrzebami gospodarki o obiegu zamkniętym.