Kan 3D-printen met metaal de traditionele productiemethoden voor matrijzen volledig vervangen?

一, Het belangrijkste verschil tussen additieve en subtractieve productie vanuit technisch oogpunt
"Digitaal aangestuurd laag voor laag smelten en stapelen" is waar het bij metaal 3D-printen om draait. Bij laserselectief smelten (SLM) smelten bijvoorbeeld alleen bepaalde soorten metaalpoeder met behulp van laserstralen met hoge-energie. Vervolgens worden drie-dimensionale vormen laag voor laag opgebouwd en worden complexe interne ruimtes, conforme koelkanalen en andere structuren rechtstreeks gemaakt zonder dat er mallen nodig zijn. Platinum Technology heeft een biomimetische ader-vormige waterweg gecreëerd voor de vorm van de accubakken van nieuwe energievoertuigen, waardoor de spuitgietcyclus met 35% is verkort en de koelefficiëntie met 40% is verbeterd. Met standaard boor- en freesmethoden is dit lastig te realiseren.
Traditionele matrijzenbouw daarentegen maakt gebruik van "subtractieve verwerking" (zoals CNC-frezen en machinaal bewerken met elektrische ontlading) en "gelijke materiaalvorming" (zoals gieten en smeden). De manier waarop deze processen werken betekent dat matrijsontwerp rekening moet houden met de haalbaarheid van de verwerking. Bij traditionele spuitgietmatrijzen is het koelwaterkanaal bijvoorbeeld vaak gebroken of recht. Dit komt omdat de boor moeilijk te bereiken is en het moeilijk is om een ​​ontwerp te maken dat in het malgat past. Hierdoor wordt de koeling ongelijkmatig en vervormen producten met ruim 8%.
Het belangrijkste punt van technologische vervanging: 3D-printen is de enige oplossing als de complexiteit van de matrijsstructuur (interne dwarsgaten, dun- ribben, microkanalen, enz.) traditionele methoden onpraktisch maakt, of als ontwerpwijzigingen snel moeten worden doorgevoerd. Door 3D-printen is de tijd die nodig was om een ​​mal voor een omhulsel van een medisch apparaat te maken bijvoorbeeld teruggebracht van 6 weken naar 72 uur, en is de mate waarin materialen werden gebruikt gestegen van 25% naar 95%.
2, Kostenstructuur: bedrijfsomslag in kleine batchsituaties
De ontwikkelingskosten voor matrijzen bedragen maar liefst 60% tot 70% van de totale kosten van de traditionele matrijzenbouw. Deze kosten omvatten de slijtage van apparatuur en de arbeid die nodig is voor de productie van elektroden, het machinaal bewerken van elektrische ontladingen, het snijden van draden en andere processen. Door het "direct gieten van digitale modellen" bij het 3D-printen van metaal zijn er geen mallen meer nodig, en de belangrijkste dingen die de kosten ervan bepalen zijn de gebruikte poedermaterialen en de slijtage van de apparatuur.
1. Voor kleine batches (1–100 stuks) is 3D-printen duidelijk beter.
De hoeveelheid gebruikt materiaal: Bij traditionele methoden, zoals smeden en blanco snijden, wordt tot 70% van het materiaal verspild. Maar bij 3D-printen kan het overgebleven poeder worden gerecycled, waardoor ruim 90% van het materiaal wordt gebruikt. Met 3D-printen worden de materiaalkosten bijvoorbeeld met 58% verlaagd voor een bepaalde gietvorm-van aluminiummetaal.
Verwerkingskosten: Traditionele mallen hebben meerdere machines nodig om samen te werken om ze te verwerken, maar voor 3D-printen is er slechts één machine nodig om het gieten van de kernstructuur uit te voeren, waardoor de verwerkingskosten met 40% tot 60% worden verlaagd.
Cyclustijd: De standaard openingscyclus van de matrijs kan zes tot acht weken duren, maar 3D-printen duurt slechts drie tot vijf dagen. Dit kan de R&D-cyclus met meer dan zeventig procent verkorten, waardoor het perfect is voor de verificatiefase van proefproductie.
2. Bij grote bestellingen (meer dan 1000 stuks) is traditioneel vakmanschap nog steeds de norm.
Kosten per eenheid: Naarmate de productie stijgt, dalen de gedeelde kosten van traditionele matrijzen zeer snel. Toen er bijvoorbeeld veel mallen voor autokappen werden gemaakt, daalde de prijs per stuk van 2000 yuan voor 3D-printen naar 80 yuan voor ouderwetse methoden.
Precisie en oppervlaktekwaliteit: Met traditioneel CNC-snijden kun je een oppervlak krijgen dat 0,8 μm vlak is, maar met 3D-printen moet je polijsten, zandstralen en andere stappen doorlopen om een ​​oppervlak te krijgen dat 3,2 μm vlak is, wat meer kost.
Wanneer de jaarlijkse productie van mallen meer dan 500 stuks bedraagt, beginnen de kosten van een enkel stuk met traditionele methoden lager te worden dan die van 3D-printen. Als er rekening wordt gehouden met het risico van ontwerpwijzigingen (het veranderen van een traditionele mal betekent bijvoorbeeld dat deze opnieuw moet worden geopend, wat kan oplopen tot 30% tot 50% van de initiële kosten), kunnen de voordelen van 3D-printen in flexibele productie worden uitgebreid tot situaties waarin er jaarlijks ongeveer 1000 stuks worden geproduceerd.
3, Industriële ecologie: hoe technologie kan samenwerken om het milieu te helpen en hoe het opnieuw kan worden opgebouwd
Traditionele matrijzenbouw en 3D-printen van metaal concurreren met elkaar, maar het is geen nul-somspel. In plaats daarvan is het een kracht die de industriële omgeving in de richting van de integratie van 'design manufacturing service' duwt.
1. Technologieën combineren: composieten maken met additieve en subtractieve methoden
Bedrijven die aan de top staan, doorbreken de grenzen van één enkele technologie door samen ‘3D-printen+CNC-precisiebewerking’ te gebruiken. De BLT-S450-apparatuur van Platinum kan bijvoorbeeld zes-seratief laserprinten uitvoeren en een vijf--assig bewerkingscentrum kan matrijsholten repareren met een nauwkeurigheid van het niveau van de spiegel-. Hierdoor blijven de complexe structurele mogelijkheden van 3D-printen behouden en wordt tegelijkertijd voldaan aan de oppervlaktekwaliteitsbehoeften van traditionele mallen.
2. Nieuwe materialen: functionele verlopen en composietmaterialen
De materialen die in traditionele mallen worden gebruikt, zijn meestal enkelvoudige legeringen. Met 3D-printen kunnen functioneel gesorteerde materialen echter op een manier worden geplaatst die uniek is voor elke taak. In het geval van een vliegtuigmotormatrijs voegt 3D-printen een coating met hoge-hardheid (zoals WC Co) toe aan het oppervlak. Hierdoor blijft de kern taai en wordt ‘één materiaal voor meerdere toepassingen’ mogelijk, wat een verbetering is ten opzichte van de oude manier om verschillende materialen met elkaar te verbinden.
3. Servicemodus: van het verkopen van apparaten tot het leveren van oplossingen
'Hardwareleveranciers' veranderen hun naam in 'service-integrators' voor apparatuurfabrikanten. Platinum heeft een "apparatuur+materialen+procesdatabase"-systeem uitgebracht dat samenwerkt. De zelf-prijzen van poeder voor titaniumlegeringen zijn 50% lager dan in 2020, en het Internet of Things-platform heeft het mogelijk gemaakt om op afstand diagnoses te stellen en te waarschuwen voor apparatuurfouten, waardoor de service-inkomsten zijn gestegen tot 30%.
4. Normen in de industrie: van wilde groei naar gestandaardiseerde ontwikkeling
Traditionele matrijzenbouw heeft een volledig standaardsysteem gecreëerd, zoals de ISO 2768 matrijsnauwkeurigheidsnorm. Er zijn echter nog steeds problemen met 3D-printmatrijzen, zoals het niet kunnen verkrijgen van nauwkeurigheidsgoedkeuring en het niet kunnen beheersen van het defectpercentage. Medische implantaatmallen moeten bijvoorbeeld elke drie tot vijf jaar worden gecertificeerd door zowel de FDA als de CE. Dit maakt het moeilijker voor 3D-printen om zich te verspreiden naar high-end gebieden.