Làm cách nào để in 3D kim loại có thể đạt được-việc đúc khuôn có độ chính xác cao?

一, Nguyên lý kỹ thuật: từ bể tan chảy vi mô đến độ chính xác vĩ mô, kiểm soát chính xác
Ý tưởng chính đằng sau công nghệ in 3D kim loại là làm tan chảy từng lớp bột kim loại bằng cách sử dụng các nguồn nhiệt năng lượng cao. Điều này giúp có thể chuyển thẳng từ mô hình kỹ thuật số sang các bộ phận thực. Ví dụ: quy trình xử lý công nghệ nấu chảy chọn lọc bằng laser (SLM) có bốn bước chính:
Rải bột: Cơ chế cạo hai chiều trải đều bột kim loại trên bàn làm việc. Độ dày của lớp phủ có thể được điều chỉnh rất chính xác, trong khoảng từ 5 đến 50 μm, tạo cơ sở cho độ chính xác ở cấp độ micromet-.
Quét laze: Thấu kính f{0}}theta tập trung chùm tia năng lượng cao- từ tia laze sợi quang 200W để tạo ra một điểm có đường kính nhỏ hơn 100 μ m. Bột được nấu chảy dọc theo một đường được xác định trước với tốc độ 3000mm/s và chiều rộng của bể nóng chảy gấp khoảng hai đến ba lần đường kính của vết.
Xếp chồng từng lớp: Sau khi nấu chảy từng lớp, bàn làm việc sẽ hạ xuống theo chiều cao của một lớp và quá trình nấu chảy bột được lặp lại cho đến khi-đạt được sự hình thành rắn ba chiều bằng cách xếp chồng từng lớp.
Kiểm soát không khí: Giữ cho buồng đúc chứa đầy khí trơ có hàm lượng oxy dưới 0,1%. Điều này sẽ ngăn kim loại khỏi quá trình oxy hóa và giữ cho vật liệu hoạt động ổn định.
Phương pháp nấu chảy từng lớp này giúp tạo ra các hình dạng phức tạp bên trong khuôn mà khó gia công bằng các phương pháp truyền thống. Ví dụ: thiết bị Platinum BLT-S400 có thể kiểm soát kích thước tính năng tối thiểu trong phạm vi 100 μm và độ nhám bề mặt ban đầu Ra trong phạm vi 8 μm đối với kích thước đúc 400 × 300 × 400 mm ³ thông qua chức năng quét cộng tác nhiều-laser. Điều này mang lại sự hỗ trợ phần cứng để chế tạo khuôn với độ chính xác rất cao.
2, Bốn cách chính để cải thiện độ chính xác bằng công nghệ
1. Kênh làm mát linh hoạt từ nhiệt lan tỏa đều đến kiểm soát nhiệt độ chính xác
Hệ thống làm mát khuôn điển hình sử dụng công nghệ lỗ thẳng hoặc khoan, việc bố trí mạch nước làm mát còn hạn chế. Điều này có thể dễ dàng làm cho khuôn có sự phân bổ nhiệt độ không đồng đều, có thể dẫn đến các vấn đề như biến dạng và co ngót của sản phẩm. Công nghệ in 3D kim loại đã vượt qua rào cản này. Với thiết kế tối ưu hóa cấu trúc liên kết, một kênh làm mát phù hợp với hình dạng của khoang khuôn một cách hoàn hảo có thể được tạo ra bên trong khuôn.
Platinum Technology sử dụng thép khuôn BLT{6}}18Ni300 và công nghệ in 3D để tạo kênh nước làm mát có đường kính 2-3mm và khoảng cách giữa các kênh nước 5-8mm. Điều này cho phép chất lỏng làm mát tác động trực tiếp đến các khu vực có nhiệt độ cao. Dữ liệu thực nghiệm chỉ ra rằng hệ thống làm mát cải tiến có thể giảm chênh lệch nhiệt độ bề mặt khuôn từ 15-20 độ trong quy trình thông thường xuống dưới 5 độ, giảm chu kỳ ép phun 15% -30% và nâng cao năng suất sản phẩm hơn 10%.
2. Cấu trúc nhẹ: từ việc lấy đi vật liệu đến làm cho cấu trúc tốt hơn
Khi chế tạo khuôn theo cách-cổ điển, các vật liệu thừa sẽ được loại bỏ bằng quá trình xử lý cơ học. Điều này gây tốn kém tài nguyên và gây khó khăn cho việc tạo ra các cấu trúc nội bộ phức tạp. Bằng cách sử dụng các phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết, in 3D kim loại có thể loại bỏ chính xác các thành phần không cần thiết trong khi vẫn giữ cho khuôn chắc chắn, dẫn đến thiết kế nhẹ.
Chẳng hạn, sau khi sử dụng công nghệ in 3D để làm khuôn cho một bộ phận ô tô, trọng lượng đã giảm 35% và chi phí vật liệu giảm 28%. Đồng thời, thiết kế gọn nhẹ giúp khuôn bớt nặng hơn, giảm 40% thời gian thay khuôn và tăng hiệu quả sản xuất lên đáng kể. Bằng cách lấp đầy các phần không{6}}chịu tải{7}}bằng cấu trúc dạng lưới, trọng lượng có thể giảm hơn nữa mà không làm mất đi độ cứng. Đây là một cách mới để làm cho khuôn nhẹ hơn.
3. Tích hợp chức năng phức tạp: Từ một cấu trúc đến nhiều chức năng
In 3D kim loại có các tính năng sản xuất theo lớp giúp có thể kết hợp một số cấu trúc chức năng vào khuôn. Ví dụ, trong khuôn phun, cơ cấu phun, thanh trượt, mạch nước làm mát và các bộ phận khác có thể được kết hợp thành một bộ phận để lắp ráp dễ dàng hơn và ít xảy ra sai sót hơn. Trong trường hợp khuôn y tế, in 3D đã làm cho khuôn trước đây cần 12 bộ phận được ghép lại thành 2 bộ phận. Điều này giúp giảm thời gian lắp khuôn từ 8 giờ xuống còn 1,5 giờ và giữ dung sai kích thước trong khoảng ± 0,02mm.
4. Đổi mới về vật liệu: Từ hợp kim phổ thông đến vật liệu tùy chỉnh
In 3D kim loại có thể hoạt động với nhiều loại vật liệu, bao gồm thép không gỉ, hợp kim nhôm, hợp kim titan và hợp kim gốc niken. Nó cũng có thể thay đổi tính chất của vật liệu bằng cách thay đổi thành phần của bột. Ví dụ: trong ngành hàng không vũ trụ, các khuôn được làm bằng Inconel 718, một hợp kim gốc niken-, có thể bền chắc và chống ăn mòn ngay cả ở nhiệt độ cao tới 650 độ , đây là điều cần thiết cho các điều kiện làm việc rất khắc nghiệt. Trong lĩnh vực y tế, việc quản lý độ xốp (có thể thay đổi 30–70%) và kích thước lỗ (200–600 μm) của hợp kim titan có thể giúp bộ phận cấy ghép và xương người phối hợp với nhau tốt hơn, từ đó giúp phẫu thuật thành công hơn.
3, Công nghệ xử lý hậu kỳ:-từ đúc thô đến độ chính xác hoàn hảo
Mặc dù độ chính xác tạo hình ban đầu của in 3D kim loại chỉ ở mức micromet,-vẫn cần bổ sung công nghệ xử lý hậu kỳ để đáp ứng các tiêu chuẩn chặt chẽ về chất lượng bề mặt khuôn, độ chính xác về kích thước và những thứ khác.
Xử lý nhiệt là một quy trình loại bỏ ứng suất dư và cải thiện cấu trúc vi mô của vật liệu. Một số ví dụ là giải pháp ủ và xử lý tuổi. Ví dụ, độ cứng của thép công cụ H13 có thể tăng từ 38HRC đến 52HRC sau khi xử lý dung dịch ở 1050 độ và xử lý lão hóa ở 620 độ. Khả năng chống mài mòn của nó cũng tốt hơn rất nhiều.
Xử lý bề mặt: Để làm cho bề mặt tốt hơn, phun cát, đánh bóng, mạ điện và các phương pháp khác được sử dụng. Thông qua đánh bóng cơ học, độ nhám bề mặt của vỏ khuôn có độ chính xác nhất định đã giảm từ Ra8 μm xuống Ra0,4 μm. Điều này đáp ứng các tiêu chuẩn ép phun cho các sản phẩm cấp quang học.
Gia công chính xác: Phay CNC hoặc gia công EDM các hạng mục quan trọng có dung sai kích thước nghiêm ngặt. Ví dụ: một khuôn đầu nối nhất định được chế tạo bằng cả in 3D và sản xuất composite CNC, đồng thời khoảng hở tiếp xúc được giữ trong khoảng 0,005mm, đây là mức cao nhất trên thế giới.