In 3D kim loại có thể giảm tỷ lệ phế liệu trong sản xuất khuôn mẫu không?

一, Vấn đề lãng phí trong chế tạo khuôn truyền thống: vấn đề kép là lãng phí nguyên liệu và giảm hiệu quả
Phương pháp "xử lý trừ" được sử dụng trong chế tạo khuôn truyền thống. Điều này có nghĩa là vật liệu được loại bỏ từ từ thông qua một loạt các bước, chẳng hạn như tiện, phay, bào và mài cho đến khi đạt được hình dạng mong muốn. Có ba vấn đề cấu trúc chính với đường dẫn quy trình này:
Tỷ lệ sử dụng vật liệu thấp: Ví dụ: khi chế tạo khuôn-đúc khuôn cho đầu xi-lanh động cơ ô tô, các phương pháp thông thường yêu cầu xử lý toàn bộ phôi thép vào khuôn, có thể lấy đi tới 70% vật liệu. Dựa trên số liệu từ một công ty, xưởng khuôn của họ sử dụng 1200 tấn thép mỗi năm. Trong đó, 840 tấn được biến thành rác và chỉ 360 tấn được biến thành vật dụng hữu ích.
Phải mất 12 đến 15 bước để đi từ chuẩn bị nguyên liệu thô đến phân phối sản phẩm cuối cùng. Làm một bộ khuôn có thể mất tới 2 đến 3 tháng. Dự án phát triển khuôn gói pin cho một công ty xe năng lượng mới cụ thể đã bị lùi lại 8 tháng vì phải làm lại nhiều lần. Điều này đã khiến công ty thiệt hại hơn 20 triệu nhân dân tệ.
Giới hạn cấu trúc khó khăn: Khó chế tạo các khuôn có đặc điểm phức tạp như kênh làm mát phù hợp và cấu trúc mạng nhẹ bằng phương pháp truyền thống. Để làm khuôn khối hoa văn, một doanh nghiệp lốp xe nhất định cần chia toàn bộ lốp thành hơn 20 phần và gia công độc lập từng phần trước khi ghép tất cả lại với nhau. Điều này không chỉ làm tăng tỷ lệ lãng phí mà còn làm cho khuôn kém chính xác hơn.
2, Đột phá của in 3D kim loại: chuyển đổi mô hình từ “trừ” sang “phụ”
In 3D kim loại tạo ra các vật thể ba chiều-bằng cách xếp chồng các bột hoặc dây kim loại lên nhau, điều này hoàn toàn đi ngược lại với cách mọi thứ thường được thực hiện. Nó cũng cho thấy ba lợi ích chính của việc quản lý chất thải:
1. Tỷ lệ sử dụng nguyên vật liệu tăng vọt: từ 30% lên 90%
Khi tạo các cấu trúc phức tạp như khoang khuôn và kênh làm mát bằng tay, cần rất nhiều trợ cấp gia công, dẫn đến lãng phí nhiều vật liệu. 3D công nghệ in trực tiếp thúc đẩy quá trình sản xuất bằng mô hình CAD và chỉ sử dụng nhiều vật liệu bằng chính các chi tiết đó. Sử dụng công nghệ SLM, một công ty cụ thể đã chế tạo khuôn vỏ ổ đĩa điện bằng hợp kim nhôm sử dụng 92% vật liệu thay vì 35% mà các phương pháp tiêu chuẩn sử dụng. Điều này giúp tiết kiệm 180 kg vật liệu hợp kim nhôm cho mỗi bộ khuôn.
Quan trọng hơn, in 3D giúp thiết kế "tối ưu hóa cấu trúc liên kết", có thể sử dụng ít vật liệu hơn mà vẫn bền. Một công ty hàng không nào đó đã sử dụng tính năng tối ưu hóa cấu trúc liên kết để chế tạo khuôn đỡ cánh bằng hợp kim titan nhẹ hơn 30% và sử dụng ít vật liệu hơn 45% trong khi vẫn hoạt động theo cách tương tự.
2. Khả năng tạo ra các kết cấu phức tạp: loại bỏ nguồn chất thải cơ bản
Một trường hợp sử dụng phổ biến của in 3D để giảm lãng phí là kênh làm mát phù hợp, khó thực hiện bằng các phương pháp truyền thống. Bằng cách xây dựng các kênh làm mát đuôi gai xoắn ốc và mô phỏng sinh học bên trong khuôn phù hợp hoàn hảo với hình dạng của sản phẩm, hiệu quả làm mát có thể tăng hơn ba lần. Một công ty nào đó đã làm khuôn-đúc khuôn cho khay ắc quy của các phương tiện sử dụng năng lượng mới. Nó sử dụng mạch nước phù hợp được in 3D, giúp cắt chu kỳ làm mát từ 45 giây xuống 18 giây, nâng tỷ lệ chất lượng sản phẩm từ 92% lên 99,5% và tiết kiệm 12 tấn chất thải thép bằng cách cắt giảm số lượng khuôn thử nghiệm.
Khả năng tạo ra các cấu trúc mạng in 3D cũng rất quan trọng trong lĩnh vực thiết kế gọn nhẹ. Một công ty cụ thể đã chế tạo khuôn ép cho các dụng cụ điện. Bằng cách tạo cấu trúc lưới lục giác rỗng ở khu vực không mang trọng lượng, trọng lượng của khuôn đã giảm 25%, lượng vật liệu sử dụng giảm 30% và thời gian làm nguội giảm 15% vì khuôn có thể giữ ít nhiệt hơn.
3. Xác minh lặp lại nhanh: cắt giảm lượng rác phát sinh trong quá trình sản xuất thử nghiệm
Để làm khuôn truyền thống, bạn phải trải qua nhiều vòng chu kỳ sửa đổi sản xuất thử nghiệm và mỗi lần sản xuất thử nghiệm sẽ tạo ra rất nhiều chất thải. Một doanh nghiệp kinh doanh xe hơi đang nghiên cứu khuôn bảng điều khiển mới cho một mẫu ô tô mới, nhưng ba vòng khuôn thử nghiệm đầu tiên đã phải bỏ đi vì sai sót trong thiết kế. Điều này tạo ra 45 tấn chất thải. Chu trình “thử nghiệm thiết kế in” có thể diễn ra nhanh chóng với công nghệ in 3D. Sau khi một công ty bắt đầu sử dụng kỹ thuật này, chu kỳ tạo khuôn kéo dài từ 6 tháng xuống còn 6 tuần, số lần thử khuôn tăng từ 5 xuống 2 và tỷ lệ lãng phí giảm 70%.
3, Tiến bộ công nghệ và hợp tác giữa các ngành: đẩy nhanh phát triển quản lý chất thải in 3D
In 3D mang lại nhiều hứa hẹn cho việc quản lý chất thải, nhưng nó vẫn phải vượt qua ba vấn đề lớn trước khi có thể sử dụng trên quy mô rộng:
Đổi mới vật liệu: Điều quan trọng là tạo ra vật liệu bột chuyên dụng có giá thành rẻ và hoạt động tốt. Một công ty nào đó đã sản xuất bột thép H13 được gia cố bằng cacbua nano vonfram để làm cho khuôn cứng hơn (HRC 60) trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai. Điều này giúp giảm giá nguyên liệu tới 40% so với sản phẩm nhập khẩu.
Tiêu chuẩn hóa quy trình: Điều rất quan trọng là thiết lập một thư viện duy nhất về các thông số in và hệ thống kiểm soát chất lượng. Một công ty đã sản xuất giai đoạn điện tử của chương trình tạo hỗ trợ tự động cho Metal+, có thể cắt giảm 35% việc sử dụng vật liệu hỗ trợ và nâng tỷ lệ thu hồi bột lên 98%.
Hợp tác trong chuỗi công nghiệp: Các nhà sản xuất thiết bị, nhà cung cấp vật liệu và nhà sản xuất khuôn mẫu cần hợp tác cùng nhau để tạo ra một giải pháp hoàn chỉnh bao gồm “phần cứng, vật liệu và dịch vụ”. Một công ty đã cho ra mắt thiết bị UM600MT, có kích thước tạo hình là 400mm × 600mm × 500mm. Kích thước này đủ lớn để in những khuôn xe ô tô khổng lồ. Cơ sở dữ liệu quy trình hỗ trợ nó có hơn 200 thuộc tính vật liệu thường được sử dụng.