Kan de hardheid van metalen 3D-printmatrijzen voldoen aan de vereisten voor productie met hoge- sterkte?

1. Het juiste materiaal kiezen: Bodemsteun gemaakt van metaalpoeder met een hoge taaiheid
Het materiaal zelf bepaalt hoe hard metalen 3D-printmallen zijn. Gereedschapsstaal, roestvrij staal, harde legeringen en speciale legeringen zijn momenteel de meest voorkomende materialen voor 3D-printmatrijzen. Ze hebben een hardheidsbereik van HRC 20 tot 70, wat betekent dat ze in verschillende situaties kunnen worden gebruikt.
Gereedschapsstaal heeft, net als H13 en A2, na warmtebehandeling een hardheid van HRC 40–60. Het is robuust en slijtvast, waardoor het geschikt is voor situaties met hoge- spanningen, zoals matrijzen-gietmatrijzen en heetsmeedmatrijzen. Een bedrijf dat auto-onderdelen maakt, maakt bijvoorbeeld gebruik van 3D-geprinte H13-stalen mallen die na warmtebehandeling HRC 52-hard zijn. Deze mallen werken net zo goed als traditionele smeedmallen en gaan drie keer langer mee.
316L roestvrij staal heeft een hardheid van ongeveer HRC 20–30, maar door de printinstellingen en na-nabewerking aan te passen, kan de hardheid worden verhoogd tot meer dan HRC 40, terwijl het nog steeds zeer goed bestand is tegen corrosie. Dit maakt het geschikt voor ruimtes waar hygiëne erg belangrijk is, zoals voedselverpakkingen en medische apparatuur.
Harde legering: WC Co (wolfraamcarbide kobalt) is een typisch materiaal voor extreme slijtagesituaties zoals pons- en trekmatrijzen. Het heeft een hardheid tot HRC 55–70 en is meer dan 10 keer slijtvaster- dan gereedschapsstaal. Een bepaald bedrijf dat elektrische onderdelen maakt, gebruikt 3D-geprinte mallen van sterke legeringen om de ponsfrequentie te verdubbelen, van 500.000 keer naar 2 miljoen keer.
3D printing can make fine-grained structures in special alloys like Inconel 718 nickel-based alloy. These structures are 20% harder than those made by traditional casting. They also stay strong at high temperatures (strength retention rate>90% bij 650 graden), daarom worden ze veel gebruikt in mallen voor turbineschijven van luchtvaartmotoren.
2. Procesoptimalisatie: nauwkeurige controle van "printen" tot "vormen"
De hardheid van metaal Niet alleen het materiaal, maar ook het exacte beheer van procesparameters is belangrijk bij 3D-printen. Selectieve lasersmelttechnologie (SLM) verhoogt bijvoorbeeld de hardheid door de volgende belangrijke parameters te optimaliseren:
Control of energy density: The quality of the molten pool is directly affected by the strength of the laser, the speed of the scan, and the size of the spot. When the energy density is low, the material may become more porous (15% less hard when>1%), en als het hoog is, kan het barsten. Uit onderzoek blijkt dat bij het printen van 316L roestvrij staal met een laservermogen van 150W en een scansnelheid van 800 mm/s de porositeit onder de 0,3% blijft en de hardheid HRC 38 bereikt, wat vrijwel hetzelfde is als die van smeedstukken.
Hechtsterkte tussen de lagen: Een sterke metallurgische verbinding tussen de lagen kan tot stand worden gebracht door de scanprocedures (zoals schaakbordscannen en eilandscannen) en de laagdikte (20–50 μm) te veranderen. Een bepaald luchtvaartbedrijf print bijvoorbeeld Ti6Al4V-turbinebladmallen met een laagdikte van 30 μm en een verbindingssterkte tussen de lagen van 450 MPa, wat 20% sterker is dan eerdere methoden.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 graden /s) kan een fijn-korrelige structuur creëren (zoals martensiet) die het materiaal veel harder maakt. Met behulp van L-PBF-technologie heeft het team van de City University of Hong Kong een Al Mg Mn Sc Zr-legering geprint. Ze gebruikten het nano-twin-versterkingsmechanisme om de vloeigrens te verhogen tot 656 MPa, terwijl de ductiliteit op 12% bleef.
3. Na-verwerkingstechnologie: de laatste stap om de hardheid te verbeteren
3D-printen is niet het einde; post-nabewerkingstechnologie is het belangrijkste onderdeel van het harder maken van mallen.
Warmtebehandeling: het veranderen van de roosterstructuur door uitgloeien, blussen of veroudering. Na veroudering op 480 graden ging de hardheid van een 3D-geprinte 18Ni300 martensitische stalen mal bijvoorbeeld van HRC 38 naar HRC 52. Hierdoor werd de restspanning weggenomen en was de kans kleiner dat deze zou versplinteren.
Om het oppervlak harder te maken, kunt u gebruik maken van kogelstralen, nitreren of lasercladden. Een zekere maker van matrijzen-gietmatrijzen maakte gebruik van kogelstralen om H13-stalen mallen in 3D te printen. Hierdoor werd de ondergrond harder (van HRC 50 naar HRC 58) en waren ze 40% beter bestand tegen slijtage.
Heet isostatisch persen (HIP): gebruik van hoge druk (100–200 MPa) en hoge temperatuur (900–1200 graden) om interne poriën te verwijderen en de materiaaldichtheid bijna 100% te krijgen. De Inconel 718 mal die behandeld is met HIP is 30% harder en gaat vijf keer langer mee dan de mal die niet behandeld is.
4. Industrieel gebruik: testen van het laboratorium tot aan de productielijn
Het hardheidsvoordeel van metalen 3D-printmatrijzen is op verschillende gebieden bevestigd:
GE Aviation maakt gebruik van 3D-geprinte Inconel 718-spuitgietmatrijzen met een hardheid van HRC 45. Deze mallen zijn 15% lichter dan standaard gietstukken en kunnen hoge temperaturen en druk aan.
Auto's maken: BMW Group maakt motorcilinderblokken van aluminiumlegeringen met behulp van stalen mallen en 3D-printtools. De hardheid van de mal is HRC 50 en gaat meer dan 100.000 keer mee, waardoor de kosten van elk stuk met 40% worden verlaagd.
Johnson & Johnson maakt gebruik van 3D-geprinte orthopedische implantaatmallen van kobaltchroomlegering die HRC 60 hard en Ra zijn<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.