Kuinka metalli 3D-tulostus voi auttaa valmistamaan tarkkuusmuotteja?

1. Suunnittelun vapaus: Perinteisen valmistuksen geometristen rajojen ylittäminen
Lisäämällä kerroksia niiden poistamisen sijaan metallin 3D-tulostus muuttaa täysin "vähennyskäsittelyn" logiikkaa perinteisessä muotinvalmistuksessa. Tämän teknologisen ominaisuuden avulla muottisuunnittelijat pääsevät monimutkaisten rakenteiden perinteisten menetelmien rajojen yläpuolelle ja mahdollistavat seuraavat uudet käyttötarkoitukset:
Esineen muotoon sopiva vesikanavan suunnittelu
Suorat reiät tai kaarevat vesikanavat ovat yleisiä perinteisissä muotin jäähdytysjärjestelmissä. Näitä on vaikea sovittaa yhteen tuotteen monimutkaisiin muotoihin, mikä johtaa epätasaiseen jäähtymiseen ja tuotteen vääntymiseen. Metallisella 3D-tulostuksella voidaan välittömästi rakentaa 3D-virtauskanavaverkosto, joka tarttuu erittäin hyvin tuotteen pintaan. Tämä tekee jäähdytyksestä yli 40 % tehokkaampaa. Esimerkiksi uusi energiaajoneuvoyhtiö käyttää 3D--painettuja akkupakkauksen kuorivalumuotteja- ja optimoi konformisten vesikanavien suunnittelun lyhentääkseen ruiskupuristusjaksoa 120 sekunnista 75 sekuntiin, nostaakseen tuotteen tuottoprosenttia 85 %:sta 99,5 %:iin ja pidentääkseen muotin käyttöikää yli 0 kertaa perinteiseen menetelmään verrattuna.
Kevyen rakenteen asettaminen paikoilleen
Metalli 3D-tulostus voi vähentää painoa 30–50 prosenttia samalla kun se tekee vahvoja muotteja käyttämällä biomimeettisiä malleja, kuten ristikkorakenteita ja onttoja hiloja. Tietyssä lentokoneen moottorin turbiinilevymuotissa käytetään titaaniseoksesta valmistettua hilarakennetta, joka leikkaa painoa 42 % säilyttäen samalla kyvyn kestää korkeita lämpötiloja. Tämä alentaa huomattavasti energian kuljetus- ja käsittelykustannuksia.
Integroitu osien muovaus, jossa on monia toimintoja
Perinteisissä muoteissa osat, kuten kuumat suuttimet ja eristemesonit, on yhdistettävä useassa vaiheessa, mikä voi helposti johtaa virheisiin. Metallinen 3D-tulostus voi tulostaa koko kuumasuuttimen rakenteen yhdellä kertaa, mikä poistaa osien väliset rakot ja tekee siitä vakaamman korkeissa lämpötiloissa. Eräs yritys käytti 3D-tulostusta onttojen kuusikulmaisten hilaeristysmesonien valmistamiseen. Tämä pienensi kuumakanavajärjestelmän energiankulutusta 25 % ja muotin lämpömuodonmuutosta 60 %.
2. Toimintojen integrointi: Yksittäisestä muotoilusta koko prosessin optimointiin
Metalli 3D-tulostus ei ainoastaan ​​muuta muotin runkojen suunnittelua, vaan se myös rohkaisee koko muotin tuotantoprosessia keksimään uusia ideoita toiminnallisen integroinnin avulla:
Muotoilu useammalla kuin yhdestä materiaalista
Laserpinnoitustekniikalla voidaan yhdistää eri materiaaleja, kuten metallikeramiikkaa ja metallimuovia samaan muotiin. Eräs yritys valmisti "metallikeraamisen komposiittimuotin" 3D-tulostamalla korkean -kovuuden keraamisen kerroksen korkean-metallisubstraatin päälle. Tämä tekee muotista kolme kertaa kulutuksenkestävämmän ja pidentää sen käyttöikää yli 150 000 kertaiseksi, mikä sopii erinomaisesti nopeasti valmistettavien kulutuselektroniikan tarkkuusrakenneosien valmistukseen.
Hienostunut sisäänrakennettu anturijärjestelmä
3D-tulostuksen avulla voit heti laittaa lämpötila- ja paineanturit muottiin, jolloin muodostuu "digitaalinen kaksois" valvontajärjestelmä. Tietyssä auton puskurimuotissa on sisäänrakennetut-kuituoptiset ritiläanturit, jotka seuraavat reaaliajassa lämpötilakentän jakautumista muottipesässä. Se käyttää myös tekoälyalgoritmeja muuttamaan jäähdytysparametreja lennossa, mikä pitää tuotteen koon tarkkuudella ± 0,02 mm ja muotti kestää yli 200 000 käyttökertaa.
Nopea korjaus ja uudelleenvalmistus: Direct Energy Deposition (DED) -tekniikka voi kiinnittää kuluneet muotit yhteen paikkaan, mikä palauttaa mittojen alkuperäisen tarkkuuden. Yksi lentokoneyritys käyttää laserpinnoitustekniikkaa alumiiniseoksen painevalumuottien kiinnittämiseen-. Korjauskerros tarttuu alustaan ​​450 MPa:n voimalla, ja korjauksen hinta on vain 30 % uusien muottien valmistuskustannuksista. Korjaus kestää yli 90 % alkuperäisestä käyttöiästä.
3. Materiaalin suorituskyky on parantunut "käyttökelpoisesta" "korkea-suorituskykyiseksi".
Pääasia, joka vaikuttaa muotin käyttöikään, on materiaalin toimivuus. Metalli 3D-tulostus parantaa muottimateriaalien laatua valtavasti käyttämällä seuraavia teknologioita:
Erikoismateriaalijärjestelmän luominen
Vastauksena muottien käyttöolosuhteiden tarpeisiin yritykset Kiinassa ja kaikkialla maailmassa ovat alkaneet valmistaa useita erityisiä jauhemateriaaleja:
ESU-H13-muottiteräs: Karbidien jakautumista parantamalla paine-valumuottien käyttöikä on pidentynyt 30 000-kertaisesta standarditekniikalla 60 000 kertaan. Sitä on käytetty Huawei Mate -sarjan matkapuhelimien kehyksiin.
CX Ultra High Strength -teräs: Sen vetolujuus on 1700 MPa, ja sitä käytetään Boschin automoottorien sylinterirunkojen muottien valmistukseen. Nämä muotit kestävät yli 80 000 sykliä, mikä on 40 % pidempi kuin tyypillinen S136-teräs.
Alumiiniseos Al250C: Se kestää yli 5000 tuntia 250 asteessa ja on 50 kertaa parempi kuin Scalmalloy-alumiiniseos. Sitä käytetään usein ilmailun rakenneosissa.
Uusia ideoita lämpökäsittelyprosessiin
Tee erityinen lämpökäsittelymenetelmä, joka toimii sen kanssa, miten 3D-tulostus liittää kerroksia yhteen:
Lajiteltu karkaisu ja kryogeeninen käsittely: 1.2709-martensiittiteräsmuotti on erittäin kova, sen kovuus on 52HRC ja iskunkestävyys CVN 10J. Tämä tekee siitä riittävän vahvan kestämään tulevaisuuden energiaajoneuvojen tarvitsemaa valtavaa stressiä.
Kuumaisostaattinen puristus (HIP): Käsittely 1200 asteessa /150 MPa poistaa 3D-painettujen muottien sisähuokoset. Tämän ansiosta ne kestävät 200 % pidempään ja saavuttavat 95 % tyypillisten taontatekniikoiden käyttöiästä.
Pintavahvistusteknologian yhdistäminen
Yliäänikuoraus muodostaa 300 μm paksun puristusjännityksen kerroksen muotin pinnalle. Tämä tekee tietyn taontamuotin kestävän 20 000 - 50 000 sykliä pidempään.
Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD): Tämä prosessi lisää 0,05 mm paksuisen timanttipinnoitteen muottipesän pintaan, jotta se kestää 10 kertaa paremmin kulutusta. Sitä käytetään puolijohdepakkausten muottien valmistukseen.
4. Käyttötarkoitukset liiketoiminnassa ja tulevaisuuden trendit
Auto-, lento- ja elektroniikkateollisuudessa metallin 3D-tulostustekniikkaa käytetään paljon.
Autoteollisuudessa Broadcom Precision tuotti Teslalle 3D-painetun integroidun paine{1}}valumuotin, joka leikkasi takalattian kappaleiden määrän 171:stä yhteen, teki tuotannosta 40 % tehokkaamman ja antoi muotille 150 000-kertaisen käyttöiän.
Relativity Space valmistaa 3D-tulostettuja kupariseoksesta valmistettuja suutinmuotteja lentoteollisuudessa käyttämällä EOS M400 -laitteita. Nämä muotit käyttävät vihreää lasertekniikkaa korjatakseen kuparimateriaalien liian heijastavuuden. Elinikä täyttää SpaceX Starship -projektin kriteerin tehdä yksi yksikkö joka viikko.
Xiaomi Technology on tehnyt yhteistyötä Yisu Laserin kanssa valmistaakseen paine{0}}valumuotteja matkapuhelinten kehyksiin ESU-H13-materiaalista. Nämä muotit kestävät 120 000 sykliä ja voivat tukea yli 50 miljoonan Xiaomi 14 -sarjan yksikön toimittamista vuodessa.
Tulevaisuudessa metallin 3D-tulostus muuttuu seuraavilla tavoilla:
Useiden materiaalien ja prosessien integrointi: Käyttämällä sideainesuihkutustekniikkaa (BJ) ja jauhepetisulatustekniikkaa (PBF) yhdessä valmistaaksesi suuria muotteja nopeasti ja edullisesti.
AI-älykäs suunnittelu: Generatiiviset suunnittelualgoritmit optimoivat automaattisesti muotin rakenteen, mikä tarkoittaa, että yli 90 % materiaalista käytetään.
Vihreän valmistusjärjestelmän rakentaminen: Kierrätettävien jauhemateriaalien ja suljetun-kierron tuotantojärjestelmän käyttö, joka vähentää hiilidioksidipäästöjä 50 % koko valmistusprosessin ajan, on kiertotalouden tarpeiden mukaista.