Tại sao việc tối ưu hóa hệ thống làm mát khuôn phù hợp cho in 3D kim loại?

一, Vấn đề thiết kế với hệ thống làm mát tiêu chuẩn: đi từ "khoan thẳng" đến "mất cân bằng nhiệt".
Cách làm mát khuôn cổ điển sử dụng kỹ thuật khoan chéo của máy công cụ, mạch nước làm mát thường là đường thẳng hoặc đứt đoạn. Thiết kế này có ba vấn đề chính:
Ống thẳng không vừa với bề mặt cong phức tạp của khoang khuôn, khiến khoảng cách làm mát không đồng đều. Ví dụ, khi khuôn cản ô tô sử dụng một kênh điển hình, chênh lệch nhiệt độ trên bề mặt lõi vượt quá 45 độ, thời gian làm mát cục bộ kéo dài thêm 30% và tỷ lệ cong vênh của sản phẩm cao tới 8%.
Nồng độ ứng suất nhiệt: Lõi khuôn nguội đi không đều, gây ra sự chênh lệch nhiệt độ góp phần gây ra các vết nứt do mỏi nhiệt. Sau 2000 lần sản xuất liên tiếp, một khuôn-đúc khuôn đã bị vỡ lõi do quá nóng ở một chỗ. Chi phí bảo trì là 35% tổng giá của khuôn.
Rất nhiều vật liệu lãng phí: Trong nghề thủ công truyền thống, cần phải có khu vực dành riêng cho việc xử lý đường thủy và các khuôn phải được làm riêng trước khi chúng có thể được ghép lại với nhau. Khi một khuôn nhất định cho cánh động cơ máy bay sử dụng công nghệ truyền thống, tốc độ cắt vật liệu lên tới 72%. Nếu có sai sót trong quá trình lắp ráp, khả năng mạch nước làm mát bị tắc tăng lên 20%.
2, Công nghệ in 3D kim loại đã có bước tiến lớn: Từ “Thích ứng thụ động” đến “Thiết kế chủ động”
Quá trình nấu chảy và xếp chồng từng lớp trong in 3D kim loại thay đổi hoàn toàn cách thiết kế hệ thống làm mát truyền thống. Lợi ích chính của nó được thể hiện theo những cách sau:
1. Mạch nước làm mát linh hoạt cho phép bạn điều chỉnh trường nhiệt độ rất chính xác
In 3D kim loại có thể tạo ra mạch nước làm mát phù hợp với hình dạng của khoang khuôn một cách hoàn hảo. Kênh cấu hình xoắn ốc hình nón mà Bastech chế tạo để lắp ráp công nghiệp đã được cải tiến bằng phần mềm Cimatron. Diện tích bề mặt của đường thủy đã tăng từ 24,2 inch vuông lên 52,2 inch vuông và hiệu suất làm mát tăng 116%. Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy thời gian làm nguội khuôn giảm từ 10,5 giây xuống 7,5 giây, thời gian chu trình giảm 14% và tỷ lệ phế liệu của sản phẩm giảm từ 5,2% xuống 0,8%.
2. Cấu trúc tối ưu hóa cấu trúc liên kết: giải quyết xung đột giữa “sức mạnh vật chất”
Để đảm bảo chúng bền chắc, các khuôn truyền thống cần có cấu trúc chắc chắn. Mặt khác, in 3D kim loại có thể tạo ra các cấu trúc nội thất nhẹ bằng cách sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Ví dụ, khuôn mới cho hộp ắc quy xe điện có cấu trúc dạng lưới giúp giảm 42% trọng lượng trong khi vẫn giữ nguyên độ bền. Nó cũng tăng thêm 60% không gian cho mạch nước làm mát và rút ngắn 25% chu trình ép phun.
3. In bằng hỗn hợp nhiều chất liệu: có thể thực hiện "làm mát gradient chức năng"
Máy in 3D kim loại tiên tiến có thể tạo ra nhiều vật liệu khác nhau theo độ dốc. Ví dụ: khuôn cho cánh tuabin động cơ máy bay sử dụng cấu trúc tổng hợp gồm "bề mặt hợp kim đồng có tính dẫn nhiệt cao+lõi hợp kim titan cường độ-cao". Điều này làm cho nhiệt độ bề mặt của khuôn đồng đều hơn 30% và giúp nó bền hơn 2,3 lần so với quy trình truyền thống.
3, Phân tích chi phí-lợi ích: từ "đơn giá cao" đến "lợi thế toàn bộ vòng đời"
Mặc dù thiết bị và vật liệu in 3D kim loại đắt tiền nhưng toàn bộ chi phí trong vòng đời mang lại lợi ích đáng kể trong những trường hợp bạn cần tạo ra một số lượng nhỏ các mặt hàng có-giá trị gia tăng-cao:
1. Chi phí nguyên vật liệu: từ “70% lãng phí” đến “sử dụng 95%”
Thường cần 60% đến 75% vật liệu để tạo khuôn, trong khi in 3D kim loại sử dụng hơn 95% vật liệu. Ví dụ, chế tạo khuôn cho bộ phận cấy ghép y tế bằng phương pháp truyền thống cần 12 kg phôi hợp kim titan, trong khi in 3D chỉ cần 1,8 kg bột, giúp tiết kiệm 85% nguyên liệu.
2. Chi phí xử lý: từ "cộng tác nhiều{1}}quy trình" đến "tích hợp thiết bị đơn lẻ".
Phải mất 12 bước để tạo ra một khuôn truyền thống, chẳng hạn như phay CNC, gia công phóng điện và cắt dây. Toàn bộ quá trình có thể mất tới 4-6 tuần. Một chiếc máy có thể in trực tiếp kim loại 3D và với một chút gia công chính xác, nó có thể đạt được độ nhám bề mặt Ra0,8 μ m. Các thử nghiệm thực tế của Bastech cho thấy khuôn in 3D mất ít thời gian lập trình và sản xuất hơn 80% so với các phương pháp truyền thống và chi phí xử lý một sản phẩm thấp hơn 40%.
3. Chi phí tiềm ẩn: Từ “Thỏa hiệp trong thiết kế” đến “Lặp lại nhanh chóng”
Mở khuôn truyền thống tốn rất nhiều chi phí, nếu muốn thay đổi mẫu mã thì phải làm khuôn mới, chi phí bằng 30% đến 50% giá thành ban đầu. In 3D kim loại giúp dễ dàng nhanh chóng biến mô hình máy tính thành khuôn mẫu thực tế. Thông qua in 3D, một doanh nghiệp điện tử tiêu dùng đã cắt giảm thời gian thực hiện các thay đổi đối với sản phẩm từ ba tháng xuống còn hai tuần. Điều này cho phép họ tận dụng các cơ hội thị trường đồng thời tiết kiệm 6 triệu nhân dân tệ cho chi phí thử và sai.
4. Tái thiết sinh thái công nghiệp: chuyển từ “thay thế công nghệ” sang “nâng cấp mô hình”
In 3D kim loại đang thay đổi ngành công nghiệp khuôn mẫu bằng cách kết hợp tích hợp "dịch vụ sản xuất thiết kế":
Sự cộng tác trong hệ sinh thái phần mềm: Cimatron, Moldex3D và các công cụ khác giúp số hóa hoàn toàn quy trình "tạo đường dẫn in tối ưu hóa thiết kế mô phỏng làm mát". Ví dụ: B&J Specialty đã phát hiện ra thông qua mô hình Moldex3D rằng các khuôn tiêu chuẩn có phạm vi nhiệt độ là 132 độ, nhưng các kênh phù hợp được in 3D-giữ phạm vi nhiệt độ ở mức 18 độ .
3D Systems, Platinum Technology và các công ty khác đã tạo ra các loại bột đặc biệt như thép lão hóa martensitic và thép khuôn 18Ni300. Những vật liệu mới này có độ dẫn nhiệt cao hơn 20% và khả năng chống mỏi cao gấp 3 lần so với vật liệu truyền thống.
Nâng cấp mẫu dịch vụ: Thay vì bán “phần cứng”, các nhà sản xuất thiết bị giờ đây bán “đầu ra giải pháp”. Bolite đã bắt đầu cung cấp giải pháp kết hợp "cơ sở dữ liệu về thiết bị, vật liệu và quy trình". Giá bột hợp kim titan của riêng họ đã giảm 50% kể từ năm 2020 và nền tảng Internet of Things đã giúp cảnh báo về lỗi thiết bị, điều này đã nâng tỷ lệ doanh thu dịch vụ lên 30%.