Hoe kan 3D-printen met metaal helpen bij het vervaardigen van precisiemallen?

1. Ontwerpvrijheid: voorbij de geometrische grenzen van traditionele productie gaan
Door lagen toe te voegen in plaats van ze weg te halen, verandert 3D-printen met metaal de logica van ‘subtractieve verwerking’ in de traditionele matrijzenbouw totaal. Met dit technologische kenmerk kunnen matrijsontwerpers de grenzen van traditionele methoden voor ingewikkelde constructies overschrijden en de volgende nieuwe toepassingen mogelijk maken:
Ontwerp van een waterkanaal dat past bij de vorm van het object
Rechte gaten of gebogen waterkanalen zijn gebruikelijk in traditionele matrijskoelsystemen. Deze zijn moeilijk te matchen met de ingewikkelde vormen van het product, wat leidt tot ongelijkmatige koeling en kromtrekken van het product. Met metaal 3D-printen kan onmiddellijk een 3D-stroomkanaalnetwerk worden opgebouwd dat zeer goed aan het oppervlak van het product blijft plakken. Hierdoor wordt de koeling ruim 40% efficiënter. Een bedrijf voor nieuwe energievoertuigen gebruikt bijvoorbeeld 3D-geprinte schaalmatrijzen- voor batterijpakketten en optimaliseert het ontwerp van conforme waterkanalen om de spuitgietcyclus te verkorten van 120 seconden naar 75 seconden, de productopbrengst te verhogen van 85% naar 99,5% en de levensduur van de matrijs te verlengen tot meer dan 100.000 keer, wat drie keer langer is dan bij traditionele methoden.
Het plaatsen van een lichtgewicht structuur
3D-printen met metaal kan het gewicht met 30% tot 50% verminderen en toch sterke mallen maken door gebruik te maken van biomimetische ontwerpen zoals roosterstructuren en holle roosters. Een specifieke turbineschijfvorm voor vliegtuigmotoren maakt gebruik van een roosterstructuur van een titaniumlegering die het gewicht met 42% vermindert, terwijl het vermogen om hoge temperaturen te weerstaan ​​behouden blijft. Dit verlaagt de kosten voor het transport en de verwerking van energie aanzienlijk.
Geïntegreerd gieten van onderdelen met veel functies
Bij traditionele mallen moeten onderdelen als hete spuitmonden en isolatiemesonen in meerdere stappen in elkaar worden gezet, wat gemakkelijk tot fouten kan leiden. Metaal 3D-printen kan de hele structuur van het hete mondstuk in één keer printen, waardoor gaten tussen secties worden geëlimineerd en het stabieler wordt bij hoge temperaturen. Een bepaald bedrijf gebruikte 3D-printen om holle zeshoekige roosterisolatiemesonen te maken. Hierdoor werd het energieverbruik van het hotrunnersysteem met 25% verminderd en de thermische vervorming van de matrijs met 60%.
2. Integratie van functies: Van enkelvoudig vormen tot het optimaliseren van het hele proces
Metaal 3D-printen verandert niet alleen het ontwerp van matrijslichamen, maar stimuleert ook het hele matrijsproductieproces om met nieuwe ideeën te komen door middel van functionele integratie:
Vormen met meer dan één materiaal
Met lasercladtechnologie kunnen verschillende materialen zoals metaalkeramiek en metaalkunststof in één mal worden gecombineerd. Een bepaald bedrijf maakte een 'metaalkeramische composietmal' door een keramische laag met hoge-hardheid in 3D te printen op een metalen substraat met hoge- sterkte. Hierdoor is de matrijs drie keer beter bestand tegen slijtage en wordt de levensduur verlengd tot meer dan 150.000 keer, wat perfect is voor het maken van nauwkeurige structurele componenten in consumentenelektronica die snel gemaakt moeten worden.
Een geavanceerd sensorsysteem ingebouwd
Met 3D-printen kun je direct temperatuur- en druksensoren in de mal plaatsen, waardoor een ‘digital twin’ monitoringsysteem ontstaat. Een bepaalde autobumpermatrijs heeft ingebouwde-glasvezelroostersensoren die de temperatuurveldverdeling in de matrijsholte in realtime in de gaten houden. Het maakt ook gebruik van AI-algoritmen om de koelparameters direct te wijzigen, waardoor de productgrootte nauwkeurig blijft tot op ± 0,02 mm en de mal meer dan 200.000 keer kan worden gebruikt.
Snelle reparatie en herfabricage: Direct Energy Deposition (DED)-technologie kan versleten mallen op één plek repareren, waardoor de oorspronkelijke nauwkeurigheid van de afmetingen terugkeert. Eén vliegtuigbedrijf maakt gebruik van lasercladdingtechnologie om spuitgietmatrijzen van aluminiumlegeringen- te repareren. De reparatielaag hecht zich met een kracht van 450 MPa aan het substraat en de reparatiekosten bedragen slechts 30% van de kosten voor het maken van nieuwe mallen. De reparatie gaat ruim 90% van de oorspronkelijke levensduur mee.
3. Van 'bruikbaar' naar 'hoge-prestaties' zijn de materiaalprestaties verbeterd.
Het belangrijkste dat de levensduur van een mal beïnvloedt, is hoe goed het materiaal werkt. Metaal 3D-printen verbetert de kwaliteit van vormmaterialen aanzienlijk door gebruik te maken van de volgende technologieën:
Een systeem van gespecialiseerde materialen creëren
Als reactie op de behoeften van de bedrijfsomstandigheden van matrijzen zijn bedrijven in China en de rest van de wereld begonnen met het maken van een aantal specifieke poedermaterialen:
ESU-H13-vormstaal: Door de verdeling van carbiden te verbeteren, is de levensduur van spuit-gietmatrijzen gestegen van 30.000 keer bij standaardtechnieken naar 60.000 keer. Het is gebruikt om de frames te maken voor mobiele telefoons uit de Huawei Mate-serie.
CX Ultra High Strength Steel: Het heeft een treksterkte van 1700 MPa en wordt gebruikt om mallen te maken voor cilinderlichamen van Bosch-automotoren. Deze mallen gaan ruim 80.000 cycli mee, wat 40% langer is dan typisch S136-staal.
Aluminiumlegering Al250C: gaat meer dan 5000 uur mee bij 250 graden en is 50 keer beter dan Scalmalloy-aluminiumlegering. Het wordt vaak gebruikt in structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart.
Nieuwe ideeën voor het warmtebehandelingsproces
Maak een specifieke warmtebehandelingsmethode die werkt met de manier waarop 3D-printen lagen aan elkaar verbindt:
Gegradueerde afschrikking en cryogene behandeling: De 1.2709 martensitische stalen mal is zeer hard, met een hardheid van 52HRC en een slagvastheid CVN van 10J. Dit maakt hem sterk genoeg om de enorme stress aan te kunnen die toekomstige energievoertuigen nodig hebben.
Heet isostatisch persen (HIP): Door verwerking bij 1200 graden /150 MPa worden de binnenporiën in 3D-geprinte mallen verwijderd. Hierdoor gaan ze 200% langer mee en bereiken ze 95% van de levensduur van typische smeedtechnieken.
Combinatie van oppervlakteversterkende technologie
Supersonisch kogelharden genereert een 300 μm dikke laag drukspanning op het oppervlak van de mal. Hierdoor gaat een specifieke smeedmatrijs 20.000 tot 50.000 cycli langer mee.
Chemical Vapour Deposition (CVD): Dit proces voegt een 0,05 mm dikke diamantcoating toe aan het oppervlak van de vormholte om deze 10 keer beter bestand te maken tegen slijtage. Het wordt gebruikt om mallen te maken voor halfgeleiderverpakkingen.
4. Toepassingen in het bedrijfsleven en trends voor de toekomst
In de auto-, luchtvaart- en elektronica-industrie wordt veel gebruik gemaakt van 3D-printtechnologie voor metaal.
In de auto-industrie produceerde Broadcom Precision een 3D-geprinte geïntegreerde matrijs-gietmatrijs voor Tesla, waardoor het aantal achterste vloerdelen van 171 naar 1 werd teruggebracht, de productie 40% efficiënter werd en de matrijs een levensduur kreeg van 150.000 keer.
Relativity Space maakt 3D-geprinte spuitgietmatrijzen van koperlegeringen in de luchtvaartindustrie met behulp van EOS M400-apparatuur. Deze mallen maken gebruik van groene lasertechnologie om het probleem op te lossen dat kopermaterialen te reflecterend zijn. De levensduur voldoet aan het criterium van het SpaceX Starship-project om elke week één eenheid te maken.
Xiaomi Technology heeft samengewerkt met Yisu Laser om matrijzen-gietmatrijzen voor mobiele-telefoonframes te maken van ESU-H13-materiaal. Deze mallen gaan 120.000 cycli mee en kunnen de verzending van meer dan 50 miljoen exemplaren van de Xiaomi 14-serie per jaar ondersteunen.
In de toekomst zal 3D-printen met metaal op de volgende manieren veranderen:
Integratie van meerdere materialen en processen: gebruik van Binder Jetting (BJ) en Powder Bed Melting (PBF)-technologie samen om grote mallen snel en goedkoop te maken.
AI-gedreven intelligent ontwerp: generatieve ontwerpalgoritmen optimaliseren automatisch de structuur van de matrijs, wat betekent dat meer dan 90% van het materiaal wordt gebruikt.
Een groen productiesysteem bouwen: het gebruik van recycleerbare poedermaterialen en een gesloten-productiesysteem, dat de CO2-uitstoot tijdens het hele productieproces met 50% terugdringt, komt overeen met de behoeften van een circulaire economie.