Độ cứng của khuôn in 3D kim loại có đáp ứng được yêu cầu để sản xuất độ bền cao không?

1. Lựa chọn chất liệu phù hợp: Phần đỡ đáy làm bằng bột kim loại có độ bền cao
Bản thân vật liệu quyết định độ cứng của khuôn in 3D kim loại. Thép công cụ, thép không gỉ, hợp kim cứng và hợp kim đặc biệt là những vật liệu phổ biến nhất cho khuôn in 3D hiện nay. Chúng có phạm vi độ cứng từ HRC 20 đến 70, có nghĩa là chúng có thể được sử dụng trong nhiều tình huống khác nhau.
Thép công cụ, như H13 và A2, có độ cứng HRC 40–60 sau khi xử lý nhiệt. Nó chắc chắn và có khả năng chống mài mòn, phù hợp với các tình huống-áp lực cao như khuôn đúc-đúc khuôn và khuôn rèn nóng. Ví dụ: một công ty sản xuất phụ tùng ô tô sử dụng khuôn thép H13 in 3D có độ cứng HRC 52 sau khi xử lý nhiệt. Những khuôn này hoạt động giống như khuôn rèn truyền thống và có tuổi thọ cao hơn gấp ba lần.
Thép không gỉ 316L có độ cứng khoảng HRC 20–30, nhưng bằng cách điều chỉnh cài đặt in và-xử lý sau, độ cứng của nó có thể tăng lên trên HRC 40 trong khi vẫn có khả năng chống ăn mòn rất cao. Điều này giúp ích cho những lĩnh vực rất quan trọng về vấn đề vệ sinh, như bao bì thực phẩm và thiết bị y tế.
Hợp kim cứng: WC Co (coban cacbua vonfram) là vật liệu điển hình cho các tình huống mài mòn khắc nghiệt như khuôn đột và khuôn kéo. Nó có độ cứng lên tới HRC 55–70 và có khả năng chống mài mòn-gấp 10 lần so với thép công cụ. Một công ty sản xuất các bộ phận điện sử dụng khuôn hợp kim chắc chắn được in 3D{7}}để tăng gấp đôi tần suất đột, từ 500.000 lần lên 2 triệu lần.
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% ở 650 độ), đó là lý do tại sao chúng được sử dụng nhiều trong khuôn mẫu cho đĩa tuabin động cơ hàng không.
2. Tối ưu hóa quy trình: kiểm soát chính xác từ “in” đến “hình thành”
Độ cứng của kim loại Không chỉ vật liệu mà việc quản lý chính xác các thông số quy trình cũng rất quan trọng đối với in 3D. Ví dụ, công nghệ nấu chảy laser chọn lọc (SLM) làm tăng độ cứng bằng cách tối ưu hóa các thông số quan trọng sau:
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%), khi ở mức cao có thể bị nứt. Một nghiên cứu chứng minh rằng khi in thép không gỉ 316L với công suất laser 150W và tốc độ quét 800mm/s, độ xốp duy trì dưới 0,3% và độ cứng đạt HRC 38, gần giống như vật rèn.
Độ bền liên kết giữa các lớp: Có thể tạo ra liên kết luyện kim mạnh mẽ giữa các lớp bằng cách thay đổi quy trình quét (như quét bàn cờ và quét đảo) và độ dày lớp (20–50 μm). Ví dụ, một doanh nghiệp hàng không in khuôn cánh tuabin Ti6Al4V với độ dày lớp 30 μm và cường độ liên kết giữa các lớp là 450MPa, mạnh hơn 20% so với các phương pháp trước đây.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 độ /s) có thể tạo ra cấu trúc-hạt mịn (như martensite) khiến vật liệu cứng hơn nhiều. Bằng cách sử dụng công nghệ L-PBF, nhóm Đại học Thành phố Hồng Kông đã in ra hợp kim Al Mg Mn Sc Zr. Họ đã sử dụng cơ chế tăng cường nano đôi để nâng cường độ chảy lên 656MPa trong khi vẫn giữ độ dẻo ở mức 12%.
3. Công nghệ xử lý sau: bước cuối cùng để cải thiện độ cứng
In 3D không phải là kết thúc; công nghệ xử lý hậu kỳ là phần quan trọng nhất giúp tạo khuôn cứng hơn.
Xử lý nhiệt: thay đổi cấu trúc mạng bằng cách ủ, làm nguội hoặc lão hóa. Ví dụ, sau khi được ủ ở nhiệt độ 480 độ, độ cứng của khuôn thép lão hóa martensitic 18Ni300 được in 3D đã tăng từ HRC 38 lên HRC 52. Điều này giúp loại bỏ ứng suất dư và khiến khuôn ít có khả năng bị vỡ hơn.
Để làm cho bề mặt cứng hơn, bạn có thể sử dụng phương pháp phun mài, thấm nitơ hoặc phủ laze. Một nhà sản xuất khuôn đúc-nhất định đã sử dụng phương pháp phun bi lên khuôn thép H13 in 3D. Điều này làm cho bề mặt cứng hơn (từ HRC 50 đến HRC 58) và giúp chúng có khả năng chống mài mòn cao hơn 40%.
Ép đẳng tĩnh nóng (HIP): Sử dụng áp suất cao (100–200 MPa) và nhiệt độ cao (900–1200 độ) để loại bỏ các lỗ rỗng bên trong và đạt mật độ vật liệu gần 100%. Khuôn Inconel 718 được xử lý bằng HIP cứng hơn 30% và tồn tại lâu hơn gấp 5 lần so với khuôn không được xử lý.
4. Sử dụng trong công nghiệp: thử nghiệm từ phòng thí nghiệm đến dây chuyền sản xuất
Lợi ích về độ cứng của khuôn in 3D kim loại đã được xác nhận trong một số lĩnh vực:
GE Aviation sử dụng khuôn vòi phun nhiên liệu Inconel 718 in 3D-có độ cứng HRC 45. Những khuôn này nhẹ hơn 15% so với khuôn đúc tiêu chuẩn và có thể xử lý nhiệt độ và áp suất cao.
Chế tạo ô tô: Tập đoàn BMW chế tạo khối xi lanh động cơ bằng hợp kim nhôm bằng khuôn thép và công cụ in 3D. Độ cứng của khuôn là HRC 50 và có tuổi thọ hơn 100.000 lần, giúp giảm 40% giá thành của mỗi sản phẩm.
Johnson & Johnson sử dụng khuôn cấy ghép chỉnh hình bằng hợp kim crom coban-được in 3D có độ cứng HRC 60 và Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.