Các ứng dụng của Laser Powder Bed Melting (LPBF) trong sản xuất khuôn mẫu là gì?

1. Nguyên lý kỹ thuật: sự tương tác giữa điều khiển vi mô và định hình vĩ mô
Phần chính của công nghệ LPBF là có thể vận hành giường bột kim loại rất chính xác. Có ba bước trong quy trình:
Rải bột: Máy cạo dàn đều bột kim loại lên bệ tạo hình, tạo thành một lớp bột dày 20–100 μm. Mật độ của bột bị ảnh hưởng trực tiếp bởi kích thước của các hạt. Ví dụ, phương pháp điện cực quay plasma (PREP) tạo ra bột Ti-6Al-4V có lượng bột mịn thấp và chảy tốt. Mật độ bột có thể đạt 55%–60%, tốt hơn nhiều so với quy trình nguyên tử hóa khí (GA).
Chùm tia laze năng lượng cao (100-1000W) quét lớp bột dọc theo một đường dẫn xác định, ngay lập tức làm tăng nhiệt độ cục bộ lên trên điểm nóng chảy. Điều này tạo ra một hồ nóng chảy nhanh chóng đông cứng lại. Bạn có thể thay đổi công suất laser (135–500W), tốc độ quét (900–2000mm/s) và độ dày lớp (30–50 μm) để có được kích thước phù hợp cho bể tan chảy (rộng 50–150 μm, sâu 10–50 μm) và tốc độ làm mát (10 ⁴–10 ⁶ K/s). Điều này sẽ cải thiện cấu trúc vi mô.
Xếp chồng từng lớp: Thực hiện lặp đi lặp lại chu trình dàn bột và nấu chảy bột cho đến khi bạn có một phần rắn ba chiều. Quy trình này không cần khuôn hoặc dụng cụ cắt và có thể tạo ra "thiết kế miễn phí". Nó đặc biệt tốt cho các cấu trúc khó gia công bằng các phương pháp tiêu chuẩn, như khoảng trống sâu, hình dạng không đều và tường mỏng.
2. Lợi ích chính là: Khắc phục bốn vấn đề chính trong việc tạo khuôn theo cách-cổ điển
Tích hợp hình thành các cấu trúc phức tạp
LPBF có thể tạo ra các phần khuôn cần được xử lý và ghép lại với nhau một cách riêng biệt bằng các phương pháp truyền thống. Ví dụ, một doanh nghiệp lốp xe đã sử dụng công nghệ LPBF để tạo ra các khối khuôn mẫu cao su. Điều này cắt giảm quy trình thông thường, mất 12 bước và 45 ngày để hoàn thành, xuống còn 12 ngày cho một sản phẩm và tăng gấp đôi hiệu quả của việc chế tạo nhiều bộ phận cùng một lúc. Tuổi thọ khuôn được cải thiện lên 200.000 lần và sai số lắp ráp giảm từ 0,1 mm xuống 0,02 mm.
Cải thiện hệ thống làm mát phù hợp
LPBF có thể tạo mạch nước làm mát bên trong khuôn phù hợp với hình dạng của sản phẩm bằng thiết kế tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Sau khi thiết kế mạch nước phù hợp cho khuôn phun vỏ máy điều hòa không khí ở một công ty thiết bị gia dụng nào đó, hiệu suất làm mát tăng 42%, tỷ lệ cong vênh sản phẩm giảm 67% và một bộ khuôn tiết kiệm hơn 120.000 nhân dân tệ chi phí điện mỗi năm.
Tích hợp nhẹ và chức năng
LPBF giúp thiết kế gọn nhẹ, bao gồm cả việc lấp đầy lưới và xây dựng lưới. LPBF đã chế tạo khung pin cho một loại xe năng lượng mới bằng hợp kim nhôm. Điều này làm cho nó nhẹ hơn 38% và vượt qua bài kiểm tra quá tải 150%, giúp tăng phạm vi hoạt động thêm 8%. Kỹ thuật này cũng có thể kết hợp các mô-đun chức năng như cảm biến và bộ phận làm nóng để làm cho "thiết bị khuôn" hoạt động cùng nhau.
Lặp lại nhanh chóng và sản xuất phù hợp với nhu cầu của bạn
LPBF không cần chuẩn bị khuôn và việc thay đổi thiết kế chỉ yêu cầu thay đổi mô hình kỹ thuật số. Điều này làm giảm thời gian cần thiết để thực hiện nghiên cứu và phát triển. Một công ty y tế đã sử dụng LPBF để chế tạo khuôn cấy ghép chỉnh hình tùy chỉnh. Quy trình chỉ mất 72 giờ từ khi thiết kế đến giao hàng, nhanh hơn 80% so với các phương pháp trước đây. Nó cũng cho phép xác minh một số giải pháp cùng một lúc.
3. Trường hợp sử dụng phổ biến là: Từ-sản xuất cao cấp đến sản xuất hàng loạt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ
LPBF đã được sử dụng thành công để chế tạo khuôn cho các bộ phận cần hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao, như buồng đốt động cơ và bộ tản nhiệt tuabin. Ví dụ: Fraunhofer IGCV ở Đức sử dụng các bộ phận trình diễn động cơ tên lửa do LPBF-sản xuất. Khu vực tiếp xúc với nhiệt độ-cao được làm bằng hợp kim đồng giúp động cơ tiết kiệm năng lượng hơn, bộ phận chịu tải-được làm bằng thép cường độ-cao để đảm bảo độ tin cậy cao hơn và các cánh tản nhiệt bằng đồng bên ngoài phục vụ cả chức năng làm mát và hỗ trợ. Những bộ phận này nhẹ hơn 30% và đáng tin cậy hơn 25% so với động cơ truyền thống.
kinh doanh xe hơi
LPBF tăng đáng kể hiệu quả sản xuất trong việc tạo ra các khuôn thiết yếu bao gồm cả khuôn-đúc khuôn và khuôn phun bằng cách tối ưu hóa các kênh nước làm mát và sử dụng thiết kế nhẹ. Khuôn đúc khuôn-hợp kim magie do một nhà cung cấp phụ tùng ô tô sản xuất sử dụng LPBF có tuổi thọ 200.000 chu kỳ, dài gấp ba lần so với khuôn truyền thống. Một nhà máy sản xuất khuôn đúc sử dụng công nghệ rải bột tốc độ cao-để đẩy nhanh quá trình sản xuất một bộ khuôn từ 18 ngày lên 11 ngày, giúp tiết kiệm 15% chi phí.
Chăm sóc sức khỏe và điện tử tiêu dùng
LPBF rất phù hợp để tạo các khuôn nhỏ, chính xác. Ví dụ: một nhà máy sản xuất khuôn sản phẩm 3C nhất định sản xuất khuôn khung điện thoại di động bằng công nghệ μ-LPBF (độ chính xác in là 2–5 μm), với kích thước tính năng tối thiểu là 50 μm và độ nhám bề mặt là Ra<0.8 μm, which meets optical grade standards. A dental company uses LPBF to make personalized invisible appliance molds, and by optimizing the design of the topology, it improves the uniformity of orthodontic force distribution by 40% and raises the patient adaptation rate from 85% to 98%.
4. Xu hướng ngành: Kết hợp công nghệ và xây dựng lại môi trường
Tạo cấu trúc với nhiều vật liệu và độ dốc
LPBF có thể tạo khuôn vật liệu không đồng nhất hoặc độ dốc bằng cách quản lý hệ thống cung cấp bột. Ví dụ: một công ty cụ thể đã chế tạo khuôn vật liệu gradient hướng XY sử dụng hợp kim gốc niken-ở vùng nhiệt độ-cao để làm cho khuôn có khả năng chịu nhiệt-và hợp kim đồng ở vùng làm mát để dẫn nhiệt tốt hơn. Chất lượng cơ học và nhiệt giúp quá trình chuyển đổi liền mạch và hiệu suất cao hơn 50% so với khuôn composite nhiều{6}}tiêu chuẩn.
Cải tiến quy trình thông minh và quản lý lỗi
LPBF có thể dự đoán ứng suất dư và biến dạng trong thời gian thực bằng cách sử dụng cả mô hình ghép cơ nhiệt và phương pháp học máy. Ví dụ: mô hình phần tử hữu hạn của Autodesk mô hình hóa các trường nhiệt độ và ứng suất xảy ra trong quá trình quét laser. Nó duy trì chênh lệch hiệu suất kéo xuyên tâm và chu vi của các cánh tuabin hợp kim titan dưới 5% và kéo dài tuổi thọ mỏi của chúng thêm 30%.
Sản xuất xanh và nền kinh tế tuần hoàn
Vật liệu LPBF có tỷ lệ sử dụng 90%, cao hơn 40 điểm phần trăm so với sản xuất trừ tiêu chuẩn. Một công ty đã nâng tỷ lệ tái chế bột lên 85% và cắt giảm 20% chi phí cho một bộ vật liệu khuôn bằng cách tái sử dụng bột chưa tan chảy và sàng lọc nó. LPBF cũng đáp ứng các quy định về sản xuất xanh như "thuế carbon" của EU vì nó không thải ra bất kỳ chất lỏng cắt nào và sử dụng rất ít năng lượng.