Чому оптимізація системи охолодження форми підходить для 3D-друку металу?

一 Проблема проектування стандартних систем охолодження: перехід від «прямого свердління» до «термічного дисбалансу».
Класичний спосіб охолодження прес-форм використовує техніку перехресного свердління верстатів, а контур охолоджувальної води зазвичай має пряму або ламану лінію. Цей дизайн має три основні проблеми:
Прямий канал не відповідає складній криволінійній поверхні порожнини прес-форми, що робить відстані охолодження нерівномірними. Наприклад, коли форма для автомобільного бампера використовує типовий канал, різниця температур на поверхні серцевини перевищує 45 градусів, час локального охолодження подовжується на 30%, а швидкість викривлення продукту досягає 8%.
Концентрація термічної напруги: серцевина форми охолоджується нерівномірно, що спричиняє різницю температур, що сприяє утворенню тріщин від термічної втоми. Після 2000 послідовних виробництв певна-форма для лиття під тиском зламала серцевину, оскільки в одній точці вона сильно нагрілася. Вартість обслуговування становила 35% від загальної ціни прес-форми.
Багато витраченого матеріалу: у традиційному ремісничому виробництві потрібно відвести територію для обробки водних шляхів, а форми потрібно виготовляти окремо, перш ніж їх можна буде зібрати разом. Коли дана форма для лопаті авіаційного двигуна використовує традиційну технологію, швидкість різання матеріалу досягає 72%. Якщо є помилки в складанні, ймовірність блокування контуру охолоджуючої води зростає на 20%.
2, технологія металевого 3D-друку зробила великий крок вперед: від «пасивної адаптації» до «активного дизайну»
Процеси пошарового плавлення та укладання в металевий 3D-друк повністю змінюють спосіб проектування традиційних систем охолодження. Його основні переваги проявляються в наступному:
1. Гнучкий контур охолоджувальної води, який дозволяє дуже точно регулювати температурне поле
Металевий 3D-друк може створити конформний контур охолоджувальної води, який ідеально відповідає формі порожнини форми. Конічний спіральний конформний канал, створений Bastech для промислового складання, був вдосконалений за допомогою програмного забезпечення Cimatron. Площа поверхні водного шляху була збільшена з 24,2 квадратних дюймів до 52,2 квадратних дюймів, а ефективність охолодження зросла на 116%. Фактичні результати випробувань показують, що час охолодження прес-форми зменшився з 10,5 секунд до 7,5 секунд, тривалість циклу зменшилася на 14%, а рівень браку продукту знизився з 5,2% до 0,8%.
2. Структура оптимізації топології: вирішення конфлікту між «міцністю матеріалу»
Щоб переконатися, що вони міцні, традиційні форми потребують суттєвих структур. З іншого боку, металевий 3D-друк може створювати легкі внутрішні конструкції за допомогою оптимізації топології. Наприклад, нова форма для акумуляторної коробки електромобіля має гратчасту структуру, яка зменшує вагу на 42%, зберігаючи ту саму міцність. Це також додає на 60% більше місця для контуру охолоджувальної води та скорочує цикл лиття під тиском на 25%.
3. Багато-композитний друк: можливе «функціональне градієнтне охолодження»
Удосконалені металеві 3D-друкарські машини можуть наносити різні матеріали в градієнті. Наприклад, у прес-формі для лопатки турбіни авіаційного двигуна використовується композиційна структура з «поверхні з мідного сплаву з високою теплопровідністю + серцевини з високо-титанового сплаву». Це робить температуру поверхні форми на 30% рівномірнішою та забезпечує її термін служби у 2,3 рази довше, ніж традиційні процеси.
3. Аналіз витрат-вигоди: від «високої ціни за одиницю» до «переваги повного життєвого циклу»
Незважаючи на те, що обладнання та матеріали для 3D-друку з металу є дорогими, вигода від вартості всього життєвого циклу є значною в ситуаціях, коли вам потрібно виготовити невелику кількість виробів із високою-доданою вартістю-:
1. Вартість матеріалів: від «70% відходів» до «95% використання»
Зазвичай для виготовлення форми потрібно від 60% до 75% матеріалу, тоді як металевий 3D-друк використовує більше 95% матеріалу. Наприклад, для виготовлення форми для медичного імплантату традиційними методами потрібно 12 кг заготовок із титанового сплаву, тоді як для 3D-друку потрібно лише 1,8 кг порошку, що економить 85% матеріалів.
2. Вартість обробки: від «багато-спільної роботи» до «інтеграції одного обладнання».
Для виготовлення традиційної прес-форми потрібно 12 кроків, таких як фрезерування з ЧПК, електроерозійна обробка та різання дроту. Весь процес може тривати до 4-6 тижнів. Одна машина може безпосередньо 3D-друкувати метал, і за допомогою невеликої прецизійної обробки вона може отримати шорсткість поверхні Ra0,8 мкм. Реальні випробування Bastech показують, що на 3D-друковані форми потрібно на 80% менше часу на програмування та виготовлення, ніж традиційні методи, а вартість обробки окремої деталі на 40% нижча.
3. Приховані витрати: від «компромісу дизайну» до «швидкої ітерації»
Відкриття традиційної форми коштує багато, і якщо ви хочете змінити дизайн, вам доведеться зробити нову, яка коштує від 30% до 50% від початкової вартості. 3D-друк на металі дозволяє легко швидко перетворювати комп’ютерні моделі на справжні форми. Завдяки 3D-друку компанія споживчої електроніки скоротила час, необхідний для внесення змін у продукт, з трьох місяців до двох тижнів. Це дозволяє їм скористатися ринковими можливостями, заощаджуючи 6 мільйонів юанів на методі проб і помилок.
4. Промислова екологічна реконструкція: перехід від «технологічного заміщення» до «модернізації парадигми»
Металевий 3D-друк змінює індустрію прес-форм, об’єднуючи інтеграцію «дизайнерських виробничих послуг»:
Співпраця в екосистемі програмного забезпечення: Cimatron, Moldex3D та інші інструменти дозволяють повністю оцифрувати процес «генерації траєкторії оптимізації дизайну моделювання охолодження». Наприклад, завдяки моделюванню Moldex3D компанія B&J Specialty з’ясувала, що стандартні прес-форми мають температурний діапазон 132 градуси, але конформні канали, надруковані на 3D-зберігають температурний діапазон до 18 градусів.
3D Systems, Platinum Technology та інші компанії виготовляють спеціальні порошки, такі як сталь для мартенситного старіння та сталь 18Ni300. Ці нові матеріали мають на 20% вищу теплопровідність і в 3 рази вищу стійкість до втоми, ніж традиційні матеріали.
Оновлення моделі обслуговування: замість продажу «апаратного забезпечення» виробники пристроїв тепер продають «вихідні рішення». Bolite почав пропонувати рішення, яке поєднує «обладнання, матеріали та базу даних процесів». Ціна власного порошку титанового сплаву впала на 50% з 2020 року, а платформа Інтернету речей дозволила попереджати про збої обладнання, що підвищило відсоток доходу від послуг до 30%.