Hợp kim đồng có phù hợp để in 3D hệ thống làm mát khuôn không?

1. Lợi ích hiệu suất chính của hợp kim đồng là nó có thể dẫn nhiệt và chống nóng cùng một lúc.
Điều quan trọng nhất mà hệ thống làm mát khuôn cần làm là thoát nhiệt nhanh chóng và có thể hoạt động ở cài đặt-áp suất cao và nhiệt độ{1}}cao. Hợp kim đồng là vật liệu tuyệt vời cho hệ thống làm mát in 3D vì nó có đặc tính vật lý tuyệt vời.
Độ dẫn nhiệt rất cao: Đồng nguyên chất có độ dẫn nhiệt 401 W/(m · K), gấp 8 đến 10 lần so với thép khuôn. Ngay cả sau khi được xử lý bằng hợp kim (như hợp kim CuCrZr), độ dẫn nhiệt của nó vẫn nằm trong khoảng từ 200 đến 300 W/(m · K), cao hơn nhiều so với độ dẫn nhiệt của vật liệu làm mát tiêu chuẩn. Đặc tính này cho phép hệ thống làm mát hợp kim đồng nhanh chóng loại bỏ nhiệt khuôn, giúp rút ngắn chu trình đúc. Sau khi sử dụng các kênh nước làm mát in 3D bằng hợp kim đồng cho một khuôn cản ô tô nhất định, thời gian để tạo ra một sản phẩm giảm từ 18 giây xuống còn 12 giây và lượng năng lượng sử dụng giảm 22%.
Khả năng chống mỏi do nhiệt: Nhiệt độ bề mặt của khuôn thay đổi rất nhiều trong các tình huống có áp suất và tốc độ cao. Hợp kim đồng có khả năng chống mỏi nhiệt cao hơn nhiều so với thép và hệ số giãn nở nhiệt của nó rất phù hợp với thép khuôn. Điều này làm giảm khả năng bị nứt do ứng suất nhiệt. Sau 10.000 chu kỳ ở nhiệt độ cao 600 độ, dữ liệu thực nghiệm cho thấy hợp kim CuCrZr vẫn còn hơn 90% độ bền ban đầu. Tuổi thọ của nó gấp hơn ba lần so với các loại khuôn thông thường.
Hợp kim đồng có khả năng chống lại các ion clorua, sunfua và các chất ăn mòn khác trong chất làm mát một cách tự nhiên. Chúng đặc biệt tốt cho các tình huống ăn mòn như kỹ thuật hải quân và khuôn hóa học. Việc thêm một lượng nhỏ niken, zirconi và các nguyên tố khác có thể làm cho nó có khả năng chống ăn mòn cao hơn và giúp hệ thống làm mát hoạt động lâu hơn.
2. 3Khả năng thích ứng của quy trình in D: khắc phục những hạn chế của sản xuất thông thường
Có hai vấn đề chính trong quá trình xử lý hợp kim đồng truyền thống: thứ nhất, độ dẫn nhiệt cao của bể nóng chảy khiến nó mất nhiệt nhanh chóng, có thể gây ra các khuyết tật như tách lớp và uốn cong; Thứ hai, độ phản xạ cao (lên tới 98% đối với laser 1064nm) khiến việc sử dụng công nghệ SLM điển hình trở nên khó khăn. Đổi mới quy trình đã giúp công nghệ in 3D khắc phục được một số vấn đề:
Công nghệ SLM laser xanh lục: Tia laser xanh lục có bước sóng 515nm tăng tỷ lệ hấp thụ ánh sáng xanh lục của đồng lên 40%, cao gấp 8 lần so với tia laser hồng ngoại gần. Thiết bị TruPrint 5000 phiên bản xanh của hãng Tongkuai của Đức có thể in máy gia tốc bốn cực RF bằng đồng nguyên chất với mật độ 99,95% và độ dẫn điện 100% IACS. Bằng cách điều chỉnh điểm tập trung (25 μm) và phương pháp quét, công nghệ này giúp in hợp kim đồng hiệu quả hơn ba lần so với các phương pháp hiện có.
Công nghệ nung chảy chùm tia điện tử (EBM) sử dụng chùm tia điện tử làm nguồn nhiệt để tránh các vấn đề về độ phản xạ cao và môi trường chân không nhằm ngăn chặn quá trình oxy hóa đồng. Độ nhám bề mặt Ra của các bộ phận hợp kim đồng được in bởi EBM nhỏ hơn hoặc bằng 6,3 μm, nghĩa là chúng có thể được sử dụng ngay cho các khuôn chính xác mà không cần bất kỳ quy trình bổ sung nào. Tuy nhiên, công nghệ này tốn rất nhiều chi phí để thiết lập và hiện tại, công nghệ này chủ yếu được sử dụng trong các-khu vực cao cấp như hàng không vũ trụ.
Lắng đọng năng lượng định hướng bằng laser (LP-DED): Vấn đề "hạt hàn" trong sản xuất phụ gia hợp kim đồng được khắc phục bằng cách "tăng năng lượng laser". Khi in hợp kim CuCrZr, nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ Quốc gia Ấn Độ đã sử dụng công suất thấp 200W cho 3 lớp đầu tiên để đảm bảo chúng dính chặt vào đế. Sau đó, họ nâng công suất lên 1000W để phù hợp với độ dẫn nhiệt của vật liệu, dẫn đến mật độ 97,47% và độ dẫn nhiệt là 168,3 W/(m · K).
3. Ví dụ về cách thức hoạt động của một ngành: đi từ phòng thí nghiệm đến dây chuyền sản xuất
Cơ sở ở Thượng Hải của Tesla sử dụng hệ thống làm mát bằng hợp kim đồng in 3D-để cố định các khuôn đúc-khổng lồ trong ngành công nghiệp khuôn mẫu ô tô. Chỉ mất 72 giờ để khắc phục hư hỏng khuôn và đưa hoạt động sản xuất trở lại đúng tiến độ, nhanh hơn 90% so với quy trình sửa chữa thông thường. Thiết kế làm mát phù hợp giúp nhiệt độ khuôn đồng đều hơn 80% và tỷ lệ chất lượng sản phẩm tăng từ 92% lên 98%.
Một nhà sản xuất điện thoại di động đã sử dụng công nghệ in 3D bằng hợp kim đồng để nhanh chóng chế tạo khuôn mẫu sản xuất thử nghiệm, giúp giảm thời gian phát triển một thiết bị mới từ 18 tháng xuống còn 12 tháng. Mạch nước làm mát có cấu trúc-tối ưu hóa cấu trúc liên kết giúp truyền nhiệt tốt hơn 120% ở cùng công suất bơm. Điều này làm giảm đáng kể khả năng sản phẩm bị cong vênh hoặc biến dạng.
Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, Ursa Major đã chế tạo buồng đốt tên lửa in 3D-làm bằng đồng đầu tiên. Thiết kế kênh làm mát tích hợp của nó giúp giảm nhiệt độ của thành buồng đốt xuống 300 độ và trọng lượng của nó xuống 40%. Bộ phận này được chế tạo bằng hợp kim CuCrZr và đã được thử nghiệm 1000 lần ở áp suất 6MPa mà không bị vỡ, chứng tỏ rằng hợp kim đồng in 3D đáng tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt.