Hoe verhouden de kosten van metalen 3D-printmatrijzen zich tot traditionele productie?

1. Materiaalkosten: verandering van ‘vermindering van materiaalverspilling’ naar ‘additieve cyclus’
Bij het maken van mallen op de ouderwetse- manier worden subtractieve methoden gebruikt, wat betekent dat er veel materiaal verloren gaat tijdens het snijden, het bewerken van elektrische ontladingen en andere stappen. Voor een spuitgietmatrijs is bijvoorbeeld minder dan 60 kilo materiaal nodig om de mal te maken nadat hij verschillende fasen heeft doorlopen. De overige 40% van het afval kan worden gerecycled, maar het zal duurder zijn om het te sorteren, te smelten en opnieuw te verwerken. Bovendien heeft traditioneel vakmanschap materialen nodig die zeer puur zijn, en hoogwaardig vormstaal is prijzig, waardoor materialen nog duurder worden.

Metaal 3D-printen is een additief productieproces waarbij mallen worden gemaakt door metaaldeeltjes te smelten en op elkaar te leggen, waardoor er vrijwel geen afval overblijft. Poeder dat u niet gebruikt, kunt u zeven en recyclen, en meer dan 90% van het materiaal wordt gebruikt. Als u bijvoorbeeld mallen van titaniumlegeringen gebruikt, bedragen de materiaalkosten bij traditionele technieken grofweg 35%, maar bij 3D-printen kunnen deze worden teruggebracht tot minder dan 20%.. 3D-printen is zelfs nog beter omdat er met meer dan één materiaal tegelijk kan worden geprint. U kunt bijvoorbeeld een laag koperlegering met een hoge thermische geleidbaarheid op het oppervlak van de mal aanbrengen, terwijl de hoofdstructuur is gemaakt van een zeer sterke titaniumlegering. Materiaalinterfacecontroletechnologie maakt het mogelijk om materialen zonder naden aan elkaar te koppelen. Dit dient niet alleen functionele behoeften, maar verlaagt ook de algemene kosten.

2. Verwerkingskosten: verandering van 'samenwerking met meerdere- processen' naar 'integratie van enkele- apparatuur'
Bij het maken van mallen op de ouderwetse- manier zijn veel stappen nodig, zoals snijden, elektrische ontlading, draadsnijden en polijsten. Er zijn ook meer dan tien machines nodig, zoals CNC-bewerkingscentra, elektrische ontladingsmachines en slijpmachines. De verwerkingscycli kunnen weken of zelfs maanden duren. Om bijvoorbeeld het interne koelwatercircuit voor spuit-gietmatrijzen te maken, moet u boren en lassen. Bij het ontwerpen van gecompliceerde watercircuits moet u vaak verschillende mallen uitproberen en vervangen, wat de verwerkingskosten verhoogt.

Metaal 3D-printen combineert alle processen van het proces in één apparaat, waardoor het veel gemakkelijker wordt om digitale modellen in echte mallen om te zetten. Om bijvoorbeeld de conforme koelwaterwegmal te maken, vereisten traditionele methoden veel boren en lassen om het waterwegpatroon te verkrijgen. Met 3D-printen kunt u in één keer drie-dimensionale kronkelende waterwegconstructies maken zonder dat u daar nog meer werk voor hoeft te doen. Uit een casestudy van een specifiek bedrijf blijkt dat het gebruik van 3D-geprinte conforme koelmatrijzen de verwerkingskosten met 40% verlaagt in vergelijking met standaardmethoden en ontwerpers meer dan drie keer de vrijheid geeft om waterwegen te creëren.

3. Kosten van de productiecyclus: de overgang van ‘lange cyclus van vallen en opstaan’ naar ‘snelle iteratieve verificatie’
Bij de traditionele matrijzenbouw duurt de openingscyclus van de matrijs langdurig. Dit geldt vooral tijdens de productiefase van onderzoeks- en ontwikkelingsproeven, wanneer wijzigingen in het ontwerp betekenen dat de mal opnieuw moet worden gemaakt, wat veel tijd en geld kost. Voor het maken van een mal voor een auto-interieur zijn bijvoorbeeld zes tot acht proefrondes nodig, waarbij elke ronde ongeveer 50.000 yuan kost en drie tot zes maanden in beslag neemt. Als er problemen zijn met het ontwerp, kan de initiële investering volledig verloren gaan.

Metaal 3D-printen maakt het eenvoudig om snel de ‘design print test optimalisatie’-cyclus te doorlopen. Ontwerpers kunnen wijzigingen in de mal aanbrengen en deze binnen een paar uur opnieuw afdrukken, waardoor de proefmatrijscyclus wordt teruggebracht tot 1 à 2 weken. Een bepaald bedrijf op het gebied van nieuwe energievoertuigen heeft de tijd die nodig is om een ​​product te ontwikkelen teruggebracht van zes maanden naar drie weken door matrijzen voor accupakketten in 3D te printen. Ze verbeterden ook het ontwerp van het koelwatercircuit door middel van vijf iteratieronden, waardoor de spuitgietcyclus met 30% werd verkort en het productkwalificatiepercentage naar 99% werd verhoogd. Dit concept van "snel falen, snelle correctie" verlaagt de kosten van de productiecyclus aanzienlijk.

4. Kwaliteitskosten: de overstap van ‘passieve sanering’ naar ‘actieve preventie’
Het conventionele matrijskoelsysteem is eenvoudig te gebruiken, maar kan problemen veroorzaken zoals ongelijkmatige koeling en productvervorming. Voor grote spuitgietproducten kan het foutpercentage bij traditionele matrijzenproductie oplopen tot 15%. Het conforme koelwatercircuit kan het defectpercentage echter terugbrengen tot minder dan 5%. Een bepaald bedrijf zegt dat de kwaliteitskosten van een enkel product (inclusief schrootverliezen, herbewerkingskosten, enz.) zijn gedaald van 8 yuan naar 2 yuan sinds ze 3D-geprinte conforme koelmatrijzen zijn gaan gebruiken. Dit bespaart hen meer dan 10 miljoen yuan per jaar.

Bovendien kan het ontwerp van topologie-optimalisatie 3D-printmatrijzen lichter maken en er toch voor zorgen dat ze sterk zijn. De mal voor de turbinebladen in een vliegtuigmotor is bijvoorbeeld lichter gemaakt, waardoor het gewicht met 20% is verminderd en de levensduur tegen vermoeiing met 15% is verlengd. Deze eigenschap van "gewichtsverlies zonder kwaliteitsverlies" zorgt ervoor dat de onderhoudskosten in de loop van de tijd nog lager worden.

5. Voordelen op de lange- termijn: een verandering van 'hoge kosten per eenheid' naar 'voordelen bij batchtoewijzing'
De initiële kosten voor het maken van metalen 3D-printmatrijzen zijn hoger dan die van traditionele methoden (mallen van titaniumlegeringen kosten bijvoorbeeld 30% tot 50% meer per eenheid), maar de voordelen ervan zijn vooral belangrijk voor productie op kleine- schaal en meerdere- variëteiten. Een bedrijf maakt bijvoorbeeld gebruik van 3D-printen om op maat gemaakte tandkroonvormen van kobaltchroomlegeringen te maken. Dit verlaagt de kosten van elk stuk met 35% vergeleken met traditionele methoden en verkort de spuitgietcyclus van 120 seconden naar 45 seconden dankzij een conformeel koelontwerp, waardoor de jaarlijkse productiecapaciteit met vier keer toeneemt.

Het kostenvoordeel van 3D-geprinte mallen wordt na verloop van tijd duidelijk. De thermische vermoeiingslevensduur van de matrijs is met meer dan 30% verlengd door het interne koelwatercircuit en de structuur te verbeteren. De kosten van de matrijs voor elk spuitgietstuk zijn ook met 20% verlaagd. Een bepaald luchtvaartbedrijf zegt dat hoewel de initiële kosten voor het gebruik van 3D-geprinte cilinderkopmallen voor motoren 40% hoger zijn, de totale kosten over vijf jaar 18% lager zijn dan bij traditionele methoden, omdat de mallen langer meegaan en betere resultaten opleveren.

6. Landing van de industrialisatie: een sprong van ‘technisch mogelijk’ naar ‘economisch mogelijk’
De batchuniformiteit van metalen 3D-printmatrijzen was oorspronkelijk een groot probleem waardoor het niet in de industrie kon worden gebruikt. De industrie heeft maatnauwkeurigheidscontrole binnen ± 10 μm bereikt, waarmee wordt voldaan aan de hoge-productiebehoeften. Dit werd mogelijk gemaakt door het verbeteren van de hardwarestabiliteit (bijvoorbeeld door middel van multi-samenwerkingslaserprinten en gesloten-energiecontrole in een gesloten-loop), het optimaliseren van processen (bijvoorbeeld via parameterbibliotheken en simulaties, online monitoringfeedback) en het bouwen van hoogwaardige traceerbaarheidssystemen (bijvoorbeeld via digitale tweelingen en volledige koppelingen van procesgegevens).

Metalen 3D-printmatrijzen worden nu veel gebruikt in sectoren als de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector, de geneeskunde en meer. De regeneratieve koelkanaaltopologie heeft bijvoorbeeld de stuwkrachtkamer van de SpaceX-raket verbeterd, waardoor de printcyclus van 6 maanden naar 3 weken is teruggebracht en 500 thermische cyclustests zonder fouten kunnen worden uitgevoerd. De COMAC C929 maakt gebruik van SLM-technologie om vleugelbeugels van titaniumlegering te printen, waarbij een maatafwijking van minder dan of gelijk aan ± 15 μm wordt bereikt in een batch van 200 stuks, waardoor het gewicht met 15% wordt verlaagd terwijl de vermoeidheidstests worden doorstaan.