In 3D kim loại có thể giúp sản xuất khuôn mẫu chính xác như thế nào?

1. Tự do thiết kế: Vượt qua giới hạn hình học của sản xuất truyền thống
Bằng cách thêm các lớp thay vì loại bỏ chúng, in 3D kim loại thay đổi hoàn toàn logic "xử lý trừ" trong chế tạo khuôn truyền thống. Tính năng công nghệ này cho phép các nhà thiết kế khuôn vượt qua giới hạn của các phương pháp truyền thống trên các cấu trúc phức tạp và tạo ra những ứng dụng mới sau đây:
Thiết kế kênh dẫn nước phù hợp với hình dạng của vật thể
Các lỗ thẳng hoặc rãnh nước cong thường gặp trong các hệ thống làm mát khuôn truyền thống. Đây là những hình dạng phức tạp khó phù hợp với sản phẩm, dẫn đến khả năng làm mát không đồng đều và gây cong vênh sản phẩm. In 3D kim loại có thể ngay lập tức xây dựng mạng lưới kênh dòng chảy 3D bám rất tốt vào bề mặt sản phẩm. Điều này giúp làm mát hiệu quả hơn 40%. Ví dụ: một công ty xe năng lượng mới sử dụng khuôn đúc vỏ pin in 3D-{9}}và tối ưu hóa thiết kế của các kênh dẫn nước phù hợp để rút ngắn chu kỳ ép phun từ 120 giây xuống 75 giây, nâng hiệu suất sản phẩm từ 85% lên 99,5% và kéo dài tuổi thọ của khuôn lên hơn 100.000 lần, dài hơn ba lần so với các phương pháp truyền thống.
Đưa vào vị trí một cấu trúc nhẹ
In 3D kim loại có thể giảm trọng lượng từ 30% đến 50% trong khi vẫn tạo ra các khuôn chắc chắn bằng cách sử dụng các thiết kế mô phỏng sinh học như cấu trúc lưới và lưới rỗng. Khuôn đĩa tuabin động cơ máy bay cụ thể sử dụng cấu trúc lưới hợp kim titan giúp giảm 42% trọng lượng mà vẫn giữ được khả năng chịu được nhiệt độ cao. Điều này làm giảm đáng kể chi phí vận chuyển và xử lý năng lượng.
Tích hợp đúc các bộ phận với nhiều chức năng
Trong các khuôn truyền thống, các bộ phận như vòi nóng và meson cách nhiệt cần được ghép lại với nhau theo nhiều bước, điều này dễ dẫn đến sai sót. In 3D kim loại có thể in toàn bộ cấu trúc của vòi phun nóng trong một lần, giúp loại bỏ các khoảng trống giữa các phần và làm cho nó ổn định hơn ở nhiệt độ cao. Một công ty nào đó đã sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo các meson cách điện dạng lưới lục giác rỗng. Điều này giúp giảm 25% mức sử dụng năng lượng của hệ thống chạy nóng và 60% biến dạng nhiệt của khuôn.
2. Tích hợp các chức năng: Từ tạo hình đơn lẻ đến tối ưu hóa toàn bộ quy trình
In 3D kim loại không chỉ thay đổi thiết kế của thân khuôn mà còn khuyến khích toàn bộ quá trình sản xuất khuôn đưa ra những ý tưởng mới thông qua tích hợp chức năng:
Đúc bằng nhiều vật liệu
Với công nghệ ốp laze, các vật liệu khác nhau như gốm kim loại và nhựa kim loại có thể được kết hợp trong một khuôn. Một công ty nào đó đã tạo ra "khuôn tổng hợp gốm kim loại" bằng cách in 3D một lớp gốm có độ cứng-cao lên nền kim loại có độ bền-cao. Điều này giúp khuôn có khả năng chống mài mòn cao gấp ba lần và kéo dài tuổi thọ sử dụng lên hơn 150.000 lần, lý tưởng để chế tạo các bộ phận kết cấu chính xác trong thiết bị điện tử tiêu dùng cần được chế tạo nhanh chóng.
Một hệ thống cảm biến phức tạp được tích hợp
Với in 3D, bạn có thể đặt ngay các cảm biến nhiệt độ và áp suất vào khuôn, tạo nên một hệ thống giám sát "song sinh kỹ thuật số". Một khuôn cản ô tô nhất định đã tích hợp-các cảm biến cách tử sợi quang để theo dõi sự phân bổ trường nhiệt độ trong khoang khuôn theo thời gian thực. Nó cũng sử dụng thuật toán AI để thay đổi nhanh chóng các thông số làm mát, giúp kích thước sản phẩm luôn chính xác trong phạm vi ± 0,02mm và khuôn có tuổi thọ hơn 200.000 lần sử dụng.
Sửa chữa và tái sản xuất nhanh: Công nghệ lắng đọng năng lượng trực tiếp (DED) có thể cố định các khuôn bị mòn ở một nơi, mang lại độ chính xác ban đầu của kích thước. Một công ty máy bay sử dụng công nghệ phủ laze để cố định khuôn đúc-hợp kim nhôm. Lớp sửa chữa bám vào nền với lực 450MPa, chi phí sửa chữa chỉ bằng 30% chi phí làm khuôn mới. Việc sửa chữa sẽ kéo dài hơn 90% tuổi thọ ban đầu của nó.
3. Từ "có thể sử dụng" đến "hiệu suất{1}}cao", hiệu suất vật liệu đã được cải thiện.
Điều chính ảnh hưởng đến tuổi thọ của khuôn là vật liệu hoạt động tốt như thế nào. In 3D kim loại cải thiện đáng kể chất lượng của vật liệu khuôn bằng cách sử dụng các công nghệ sau:
Xây dựng hệ thống vật liệu chuyên dụng
Để đáp ứng nhu cầu về điều kiện vận hành khuôn, các công ty ở Trung Quốc và trên toàn thế giới đã bắt đầu sản xuất một số loại vật liệu bột cụ thể:
Thép khuôn ESU-H13: Bằng cách cải thiện sự phân bố cacbua, tuổi thọ của khuôn đúc-đã tăng từ 30.000 lần trong kỹ thuật tiêu chuẩn lên 60.000 lần. Nó đã được sử dụng để làm khung cho điện thoại di động dòng Huawei Mate.
Thép cường độ siêu cao CX: Nó có độ bền kéo 1700MPa và được sử dụng để làm khuôn cho thân xi lanh động cơ ô tô của Bosch. Những khuôn này có tuổi thọ hơn 80.000 chu kỳ, dài hơn 40% so với thép S136 thông thường.
Hợp kim nhôm Al250C: Tuổi thọ hơn 5000 giờ ở 250 độ và tốt hơn 50 lần so với hợp kim nhôm Scalmalloy. Nó thường được sử dụng trong các thành phần cấu trúc hàng không vũ trụ.
Ý tưởng mới cho quá trình xử lý nhiệt
Tạo một phương pháp xử lý nhiệt cụ thể phù hợp với cách in 3D liên kết các lớp với nhau:
Làm nguội và xử lý đông lạnh theo cấp độ: Khuôn thép martensitic 1.2709 rất cứng, có độ cứng 52HRC và độ bền va đập CVN là 10J. Điều này làm cho nó đủ mạnh để xử lý áp lực to lớn mà các phương tiện sử dụng năng lượng trong tương lai cần có.
Ép đẳng tĩnh nóng (HIP): Xử lý ở 1200 độ /150 MPa sẽ loại bỏ các lỗ bên trong trong khuôn in 3D. Điều này làm cho chúng tồn tại lâu hơn 200% và đạt tới 95% tuổi thọ của các kỹ thuật rèn thông thường.
Kết hợp công nghệ tăng cường bề mặt
Quá trình phun siêu âm tạo ra một lớp ứng suất nén dày 300 μm trên bề mặt khuôn. Điều này làm cho một khuôn rèn cụ thể có tuổi thọ lâu hơn từ 20.000 đến 50.000 chu kỳ.
Lắng đọng hơi hóa học (CVD): Quá trình này thêm một lớp phủ kim cương dày 0,05mm lên bề mặt khoang khuôn để giúp nó có khả năng chống mài mòn cao hơn 10 lần. Nó được sử dụng để làm khuôn cho bao bì bán dẫn.
4. Công dụng trong kinh doanh và xu hướng trong tương lai
Trong ngành ô tô, hàng không, điện tử, công nghệ in 3D kim loại được sử dụng rất nhiều.
Trong ngành công nghiệp ô tô, Broadcom Precision đã sản xuất khuôn đúc-tích hợp in 3D cho Tesla giúp cắt giảm số lượng mảnh sàn phía sau từ 171 xuống còn 1, giúp sản xuất hiệu quả hơn 40% và giúp khuôn có tuổi thọ 150.000 lần.
Relativity Space chế tạo khuôn vòi phun hợp kim đồng in 3D trong ngành hàng không bằng thiết bị EOS M400. Những khuôn này sử dụng công nghệ laser xanh để khắc phục vấn đề vật liệu đồng quá phản chiếu. Tuổi thọ đáp ứng tiêu chí của dự án SpaceX Starship là sản xuất một chiếc mỗi tuần.
Xiaomi Technology đã hợp tác với Yisu Laser để chế tạo khuôn-đúc khuôn cho khung điện thoại di động bằng vật liệu ESU-H13. Những khuôn này có tuổi thọ 120.000 chu kỳ và có thể hỗ trợ vận chuyển hơn 50 triệu thiết bị dòng Xiaomi 14 mỗi năm.
Trong tương lai, in 3D kim loại sẽ thay đổi theo những cách sau:
Tích hợp nhiều vật liệu và quy trình: Sử dụng công nghệ phun chất kết dính (BJ) và công nghệ nấu chảy bột (PBF) với nhau để tạo ra các khuôn lớn một cách nhanh chóng và rẻ tiền.
Thiết kế thông minh dựa trên AI: Thuật toán thiết kế sáng tạo tự động tối ưu hóa cấu trúc của khuôn, nghĩa là hơn 90% vật liệu được sử dụng.
Xây dựng hệ thống sản xuất xanh: Sử dụng vật liệu bột có thể tái chế và hệ thống sản xuất- khép kín giúp cắt giảm 50% lượng khí thải carbon trong suốt quá trình sản xuất, phù hợp với nhu cầu của nền kinh tế tuần hoàn.