Kan 3D-printen met metaal direct vormholtes produceren?

一, Technische haalbaarheid: verhuizing van het laboratorium naar de productielijn
1. Volledige dekking van het materiaalsysteem
Metaal 3D-printen kan nu met alle materialen die doorgaans worden gebruikt om mallen te maken. Laserpoederbedsmelttechnologie (LPBF) kan bijvoorbeeld klassieke vormmaterialen printen, waaronder H13-gereedschapsstaal, P20-vormstaal en 1.2709-martensitisch staal. Door de procesinstellingen te verfijnen- zijn belangrijke maatregelen zoals hardheid, taaiheid en slijtvastheid van gedrukte onderdelen gelijk aan of zelfs beter dan de specificaties voor smeedmaterialen. Eén bedrijf gebruikte bijvoorbeeld LPBF-technologie om vormgaten uit H13-staal te maken. De hardheid steeg na warmtebehandeling tot 52 HRC en de levensduur bij thermische vermoeiing was 40% langer dan bij typische verwerking. Het kan meer dan 500.000 spuitgietcycli aan.
Metaal 3D-printen heeft bijzondere voordelen opgeleverd op het gebied van specifieke materialen. Omdat mensen materialen wilden die zowel goed geleidend als corrosiebestendig waren, creëerde het bedrijf een drukproces voor legeringen op basis van koper-. Dit proces heeft een thermische geleidbaarheidscoëfficiënt van maximaal 380 W/(m · K), wat 25% hoger is dan traditionele berylliumkopervormen. Omdat mensen materialen wilden die licht van gewicht waren, kan de printtechnologie van aluminiumlegeringen en titaniumlegeringen het matrijsgewicht met 30% tot 50% verminderen, terwijl de sterkte van de structuur behouden blijft.
2. Onbeperkte vooruitgang in structurele complexiteit
Traditionele matrijzenbouw wordt beperkt door de geometrische grenzen van subtractieve verwerking. Om complexe constructies te maken moeten methoden als splijten, splitsen en lassen worden gebruikt, waardoor de mallen minder nauwkeurig worden en de levensduur ervan wordt verkort. Met metaal 3D-printen kan elke ingewikkelde vorm meteen worden gemaakt, vooral nieuwe zoals conforme koelkanalen, ademend staal en dot-matrixvulling.
Met traditionele boormethoden kunnen bijvoorbeeld alleen rechte of eenvoudige lijn-vormige waterkanalen worden gemaakt. Daarentegen kan 3D-printen onregelmatige waterkanalen maken, zoals spiraalvormige, boomtak- en biomimetische bladadervormen, waardoor de koelefficiëntie met meer dan 40% kan worden verbeterd. Na het gebruik van een topologie-geoptimaliseerd kanaalontwerp voor een mal voor een decoratieve strip voor het kozijn van een autodeur, ging de tijd die nodig was om één stuk te maken van 120 seconden naar 75 seconden, en ging het rendement van 89% naar 98%. Bedrijven die ademend staal maken, zijn erin geslaagd de opening van 0,04 mm nauwkeurig te beheren met behulp van poreuze laagprinttechnologie. Hierdoor is de uitlaatefficiëntie van schimmels verdrievoudigd en zijn problemen opgelost zoals lasnaden en luchtbellen die optreden wanneer gas vast komt te zitten.
3. Voortdurende verbetering van de kwaliteit van het oppervlak en de nauwkeurigheid
Vroege 3D-printen met metaal had moeite om te voldoen aan de hoge-precisie-eisen van het maken van mallen, omdat de hechtkracht tussen de lagen niet sterk genoeg was en het oppervlak te ruw was. Maar dit probleem is dankzij de technische vooruitgang opgelost. Op dit moment kunnen hoogwaardige 3D-metaalprintmachines onderdelen maken met een maatnauwkeurigheid van ± 0,05 mm en een oppervlakteruwheid van Ra kleiner dan of gelijk aan 1,6 μm. Bij gebruik in combinatie met polijsten, zandstralen en andere stappen kan het oppervlak zo glad als een spiegel worden.
De TrueShape-technologie van Mantle maakt bijvoorbeeld gebruik van een combinatie van "3--assige CNC-bewerking+tekenen en printen+softwareontwerp" om vormholtes zeer nauwkeurig te maken. Met dit proces wordt een matrijsholte van H13-staal geprint met een oppervlakteruwheid Ra van slechts 0,8 μm, wat betekent dat deze direct kan worden gebruikt voor hoogglans spuitgieten zonder eerst te hoeven polijsten. Deze technologie maakt ook composietprinten op meerdere-materialen mogelijk, waardoor slijtvaste coatings op het matrijsoppervlak kunnen worden aangebracht. Hierdoor kan de mal meer dan drie keer langer meegaan dan traditionele methoden.
2, Industriële praktijk: van het testen van ideeën tot het op grote schaal gebruiken ervan
1. Automatrijzen: een dubbele revolutie in kosten en efficiëntie
3D-printen met metaal is voorbij de fase van ideeverificatie overgegaan naar grootschalige toepassing- op het gebied van automatrijzen. Eén bedrijf dat auto's maakt, gebruikt LPBF-technologie om mallen voor cilinderkoppen van motoren te maken. De spuitgietcyclus is 37,2% korter en de kosten van elk item zijn 22% lager wanneer het ontwerp van het conforme koelwaterkanaal wordt verbeterd. Wat zelfs nog indrukwekkender is, is dat deze technologie mallen eenmalig kan vormen zonder te hoeven wachten tot de mal opengaat. Dit verkort de tijd die nodig is om nieuwe producten te ontwikkelen van 6 maanden naar 2 maanden en versnelt de reactietijd op de markt aanzienlijk.
Metaal 3D-printen werkt ook uitstekend voor het maken van lichtgewicht mallen. Een bepaald bedrijf voor nieuwe energievoertuigen maakt mallen voor accubakken met behulp van printtechnologie van aluminiumlegeringen. Het gewicht van de matrijs wordt met 45% verminderd en de energie die voor het spuitgieten wordt gebruikt, wordt met 18% verminderd, terwijl de sterkte van de matrijs behouden blijft. De matrijs heeft 200.000 spuitgietcycli ondergaan, werkt goed en is betrouwbaar.
2. Medische mallen: de beste manier om dingen precies te maken zoals jij ze wilt
De medische beroepsgroep heeft mallen nodig die zeer specifiek en geïndividualiseerd zijn, en 3D-printen met metaal is de beste manier om dat te doen. Een bedrijf dat mallen maakt voor orthopedische implantaten gebruikt printtechnologie van kobalt-chroomlegeringen om mallen te maken die 'patiëntspecifiek' zijn. Door middel van een CT-scan wordt er direct een digitaal model van de mal gemaakt. De mal kan na het 3D-printen tot op 0,02 mm nauwkeurig zijn, wat betekent dat hij precies aansluit op het lichaam van de patiënt. Deze techniek is bij meer dan 5000 procedures gebruikt en heeft de hersteltijd van patiënten na een operatie met 30% teruggebracht en het aantal complicaties met minder dan 1% teruggebracht.
Metaal 3D-printen heeft ook duidelijke voordelen op het gebied van mallen voor medische apparaten. Een bepaald bedrijf maakt mallen voor hartstents met behulp van printtechnologie van titaniumlegeringen. Het risico op trombose wordt aanzienlijk verlaagd door het oppervlak van de malholte zo glad mogelijk te maken, waardoor de oppervlakteruwheid Ra van de stent wordt verlaagd tot minder dan of gelijk aan 0,2 μm. Deze mal is gecertificeerd door de FDA en is de eerste 3D-geprinte hartstentmal ter wereld.
3. Matrijzen voor de lucht- en ruimtevaart: het beste gebruik van hoogwaardige materialen
De vliegtuigindustrie heeft matrijzen nodig die hoge temperaturen aankunnen, heel sterk zijn en heel licht. Metaal 3D-printen is een nieuwe manier om dit te doen. Een bepaald bedrijf maakt mallen voor vliegtuigmotorbladen met behulp van op nikkel-gebaseerde legeringsdruktechnologie. Het gewicht van de mal wordt met 35% verminderd door de roostervulstructuur te optimaliseren en blijft stabiel bij een hoge temperatuur van 1200 graden. De mal heeft 2000 thermische cyclustests ondergaan en de prestaties zijn veel beter dan die van typische gietvormen.
Metaal 3D-printen werkt ook heel goed voor het maken van mallen voor satellietonderdelen. Eén bedrijf maakt mallen voor satellietbeugels met behulp van printtechnologie van aluminiumlegeringen. Door gebruik te maken van topologie-optimalisatieontwerp wordt het gewicht van de mallen met 60% verminderd terwijl ze nog steeds hun gewicht kunnen vasthouden, wat de kosten van het lanceren van raketten verlaagt. Deze mal is gebruikt om meer dan tien satellieten te maken en werkt goed en consistent.