Як металевий 3D-друк може допомогти у виготовленні точних форм?

1. Свобода дизайну: подолання геометричних обмежень традиційного виробництва
Додаючи шари, а не видаляючи їх, металевий 3D-друк повністю змінює логіку «субтрактивної обробки» у традиційному виготовленні форм. Ця технологічна функція дозволяє розробникам прес-форм вийти за рамки традиційних методів на складних конструкціях і зробити можливими наступні нові способи використання:
Конструкція водоканалу, що відповідає формі об'єкта
У традиційних системах охолодження форм часто зустрічаються прямі отвори або вигнуті водяні канали. Їх важко підібрати до складних форм виробу, що призводить до нерівномірного охолодження та викривлення виробу. Металевий 3D-друк може відразу створити мережу 3D-каналів потоку, яка дуже добре прилипає до поверхні виробу. Це робить охолодження більш ніж на 40% ефективнішим. Наприклад, компанія, що займається виробництвом нових енергетичних транспортних засобів, використовує 3D{8}}надруковані форми для-лиття під тиском корпусу акумуляторної батареї та оптимізує конструкцію конформних водяних каналів, щоб скоротити цикл лиття під тиском зі 120 секунд до 75 секунд, підвищити вихід продукту з 85% до 99,5% і подовжити термін служби форми більш ніж у 100 000 разів, тобто в три рази разів довше, ніж традиційні методи.
Встановлення легкої конструкції
Металевий 3D-друк може зменшити вагу на 30%-50%, при цьому створюючи міцні форми за допомогою біоміметичних конструкцій, таких як гратчасті структури та порожнисті решітки. Спеціальна прес-форма диска турбіни авіаційного двигуна використовує структуру решітки з титанового сплаву, яка зменшує вагу на 42%, зберігаючи при цьому здатність витримувати високі температури. Це значно знижує витрати на транспортування та переробку енергії.
Інтегроване формування деталей з багатьма функціями
У традиційних прес-формах такі деталі, як гарячі сопла та ізоляційні мезони, потрібно збирати разом у кілька етапів, що може легко призвести до помилок. Металевий 3D-друк може надрукувати всю структуру гарячого сопла за один раз, що позбавляє від зазорів між секціями та робить її більш стабільною при високих температурах. Певна компанія використовувала 3D-друк для виготовлення порожнистих гексагональних ізоляційних мезонів. Це скоротило енергоспоживання гарячої канальної системи на 25%, а теплову деформацію форми на 60%.
2. Інтеграція функцій: від одного формування до оптимізації всього процесу
Металевий 3D-друк не тільки змінює дизайн корпусів прес-форм, але також заохочує весь процес виробництва прес-форм, щоб прийти до нових ідей через функціональну інтеграцію:
Формування з більш ніж одного матеріалу
Завдяки технології лазерного плакування різні матеріали, такі як металокераміка та металопластик, можна комбінувати в одній формі. Певна компанія виготовила «металокерамічну композитну форму» шляхом 3D-друку шару кераміки високої-твердості на металевій підкладці високої{3}}в’язкості. Це робить прес-форму втричі більш стійкою до зносу та подовжує термін її служби більш ніж у 150 000 разів, що ідеально підходить для виготовлення точних структурних компонентів споживчої електроніки, які потрібно виготовляти швидко.
Вбудована складна сенсорна система
За допомогою 3D-друку ви можете відразу помістити датчики температури та тиску в прес-форму, що створює систему моніторингу «цифрового двійника». Певна форма для бампера автомобіля має вбудовані-волоконно-оптичні ґратчасті датчики, які стежать за розподілом температурного поля в порожнині форми в режимі реального часу. Він також використовує алгоритми штучного інтелекту для зміни параметрів охолодження на льоту, що забезпечує точність розміру продукту в межах ± 0,02 мм, а форма служить для більш ніж 200 000 використань.
Швидкий ремонт і відновлення: технологія прямого нанесення енергії (DED) може фіксувати зношені форми в одному місці, повертаючи початкову точність розмірів. Одна авіабудівна компанія використовує технологію лазерного плакування для фіксації форм-лиття під тиском з алюмінієвого сплаву. Ремонтний шар прилипає до основи із силою 450 МПа, а вартість ремонту становить лише 30% від вартості виготовлення нових форм. Ремонт триватиме понад 90% початкового терміну експлуатації.
3. З «придатного для використання» до «високо-продуктивного» характеристики матеріалу покращилися.
Головне, від чого залежить термін служби прес-форми, це те, наскільки добре матеріал працює. 3D-друк на металі значно покращує якість матеріалів прес-форм за допомогою наступних технологій:
Створення системи спеціалізованих матеріалів
У відповідь на потреби умов експлуатації прес-форм, компанії в Китаї та в усьому світі почали виготовляти низку спеціальних порошкових матеріалів:
Формувальна сталь ESU-H13: завдяки покращенню розподілу карбідів довговічність-форм для лиття під тиском зросла з 30 000 разів за стандартних технологій до 60 000 разів. Його використовували для виготовлення рамок для мобільних телефонів серії Huawei Mate.
Надвисокоміцна сталь CX: має міцність на розрив 1700 МПа і використовується для виготовлення форм для корпусів циліндрів автомобільних двигунів Bosch. Ці прес-форми служать понад 80 000 циклів, що на 40% довше, ніж типова сталь S136.
Алюмінієвий сплав Al250C: він триває більше 5000 годин при 250 градусах і в 50 разів кращий, ніж алюмінієвий сплав Scalmalloy. Він часто використовується в аерокосмічних структурних компонентах.
Нові ідеї для процесу термообробки
Створіть спеціальний метод термічної обробки, який працює з тим, як 3D-друк з’єднує шари:
Ступінь загартування та кріогенна обробка: форма з мартенситної сталі 1.2709 дуже тверда, має твердість 52HRC і ударну в’язкість CVN 10J. Це робить його достатньо міцним, щоб впоратися з величезним навантаженням, якого потребують електромобілі майбутнього.
Гаряче ізостатичне пресування (HIP): обробка при 1200 градусах / 150 МПа позбавляє внутрішніх пор у 3D-друкованих формах. Завдяки цьому вони служать на 200% довше і досягають 95% терміну служби типових методів кування.
Комбінована технологія зміцнення поверхні
Надзвукова дробеструйна обробка створює шар напруги стиску товщиною 300 мкм на поверхні прес-форми. Завдяки цьому конкретний ковальський штамп служить від 20 000 до 50 000 циклів довше.
Хімічне осадження з парової фази (CVD): цей процес додає алмазне покриття товщиною 0,05 мм на поверхню порожнини форми, щоб зробити її в 10 разів більш стійкою до зношування. Використовується для виготовлення форм для упаковки напівпровідників.
4. Використання в бізнесі та тренди на майбутнє
В автомобільній, авіаційній та електронній промисловості технологія 3D-друку з металу широко використовується.
В автомобільній промисловості компанія Broadcom Precision виготовила для Tesla 3D-друковану інтегровану-форму для лиття під тиском, яка зменшила кількість деталей задньої підлоги зі 171 до 1, підвищила ефективність виробництва на 40% і подовжила термін служби форми в 150 000 разів.
Relativity Space створює 3D-друковані форми для сопел із мідного сплаву в авіаційній промисловості за допомогою обладнання EOS M400. У цих формах використовується технологія зеленого лазера, щоб вирішити проблему надто відбиваючої здатності мідних матеріалів. Тривалість життя відповідає критерію проекту SpaceX Starship, який передбачає створення однієї одиниці щотижня.
Xiaomi Technology об’єдналася з компанією Yisu Laser, щоб створити-форми для лиття під тиском для корпусів мобільних телефонів із матеріалу ESU-H13. Ці форми витримують 120 000 циклів і можуть підтримувати відвантаження понад 50 мільйонів одиниць серії Xiaomi 14 на рік.
У майбутньому металевий 3D-друк зміниться таким чином:
Інтеграція багатьох матеріалів і процесів: використання технології струминної обробки сполучного матеріалу (BJ) і плавлення шару порошку (PBF) для швидкого й дешевого виготовлення великих форм.
Інтелектуальний дизайн-на основі штучного інтелекту: алгоритми генеративного проектування автоматично оптимізують структуру форми, що означає, що використовується понад 90% матеріалу.
Створення екологічної виробничої системи: використання порошкових матеріалів, які підлягають вторинній переробці, і замкнутої-системи виробництва, яка скорочує викиди вуглецю на 50% протягом усього виробничого процесу, відповідає потребам економіки замкнутого циклу.