Những lợi thế cốt lõi của việc sử dụng in 3D kim loại trong sản xuất khuôn mẫu là gì?

1. Vượt qua các giới hạn thiết kế: Tạo các cấu trúc phức tạp theo cách-dạng tự do
Logic "loại bỏ vật liệu" của quá trình xử lý trừ làm hạn chế việc sản xuất khuôn mẫu truyền thống. Có thể khó tạo ra các kênh dòng chảy bên trong phức tạp, bề mặt không bằng phẳng và các cấu trúc khác hoặc có thể yêu cầu ghép nhiều bộ phận lại với nhau, điều này làm tăng chi phí và giảm độ tin cậy. Đặc tính "xếp chồng từng lớp" của in 3D kim loại hoàn toàn bất chấp rào cản này. Lợi ích chính của nó là:
Thiết kế kênh nước làm mát phù hợp: Với công nghệ nấu chảy bột bằng laser (LPBF), các dạng hình học kênh dòng chảy xoắn ốc, lưới hoặc mô phỏng sinh học vừa khít với khoang khuôn có thể được sản xuất trực tiếp. Ví dụ: Conflux Technology ở Úc đã chế tạo bộ trao đổi nhiệt in 3D-cho lĩnh vực hàng không vũ trụ với thành chỉ dày 0,3 mm ở bên trong. So với các thiết kế trước đó, hiệu suất trao đổi nhiệt tăng 40% và độ giảm áp suất giảm 25%.
Sản xuất vòi phun nóng tích hợp: Vòi phun nóng truyền thống cần được ghép lại với nhau từ nhiều bộ phận. In 3D kim loại có thể tạo ra thân vòi nóng, khe bộ phận làm nóng và kênh dòng chảy cùng một lúc. Điều này làm giảm các khoảng trống và đứt gãy xảy ra khi các bộ phận giãn nở và co lại do nhiệt, đồng thời nó cũng làm cho quá trình phun ổn định hơn.
Khuôn mẫu phức tạp: Thật khó để tạo ra các cấu trúc phức tạp-ở quy mô vi mô bằng các phương pháp truyền thống như khối mẫu khuôn lốp cao su và khuôn mẫu đế giày. In 3D kim loại có thể thực hiện in không được hỗ trợ bằng cách sử dụng tính năng kiểm soát điểm có độ chính xác-cao (chẳng hạn như quy trình LPBF ở quy mô vi mô, có đường kính điểm chỉ 20 μm) và độ nhám bề mặt có giá trị Ra thấp tới 0,8 μm. Điều này làm giảm nhu cầu đánh bóng sau này.
2. Rút ngắn chu kỳ sản xuất: từ tuần xuống còn 48 giờ
Việc chế tạo khuôn truyền thống cần hơn mười bước, chẳng hạn như thiết kế khuôn, gia công CNC, xử lý nhiệt, lắp ráp và xử lý sự cố. Toàn bộ quá trình có thể mất vài tuần hoặc thậm chí vài tháng. Mô hình "thiết kế như sản xuất" của in 3D kim loại giúp quy trình này trở nên dễ dàng hơn bằng cách bao gồm tạo mô hình 3D, xử lý cắt, in khuôn và xử lý hậu kỳ. Điều này làm giảm thời gian cần thiết để cung cấp sản phẩm.
Xác minh quá trình tạo mẫu nhanh: Một nhà sản xuất phụ tùng ô tô nào đó đã bắt đầu sử dụng in 3D kim loại để giảm thời gian tạo khuôn ép khó từ 15 ngày xuống còn 3 ngày, giúp đẩy nhanh quá trình tạo ra sản phẩm mới.
Sản xuất tùy chỉnh quy mô nhỏ: In 3D kim loại có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận kim loại nội thất cho ô tô tùy chỉnh-cao cấp hoặc bộ phận truyền động chuyên dụng cho ô tô đua. Không cần mở khuôn, giúp giảm 30% giá thành từng sản phẩm so với phương pháp truyền thống và dễ dàng thay đổi thiết kế thường xuyên.
Ứng phó bảo trì khẩn cấp: Trong lĩnh vực thiết bị năng lượng, một công ty nào đó đã sử dụng công nghệ in 3D kim loại để sửa chữa-vòng xoắn bơm bằng hợp kim nhiệt độ cao trong vòng chưa đầy 48 giờ, ngăn chặn tổn thất khi tắt thiết bị.
3. Cải thiện năng suất và hiệu quả sản xuất bằng cách tối ưu hóa hiệu suất làm mát.
Chất lượng của các bộ phận đúc phun bị ảnh hưởng rất nhiều bởi hệ thống làm mát khuôn. Do sự sắp xếp hạn chế của chúng, các kênh làm mát lỗ thẳng truyền thống có thể gây ra nhiệt độ khuôn không nhất quán, có thể dẫn đến các vấn đề bao gồm uốn cong và biến dạng sản phẩm. Phương pháp làm mát phù hợp cho in 3D kim loại tạo ra những cải tiến lớn về hiệu suất thông qua ba cách chính:
Thiết kế kênh dòng mô phỏng sinh học đảm bảo nước làm mát bao phủ đều khoang khuôn, giúp trường nhiệt độ đồng đều. Tỷ lệ cong vênh của sản phẩm giảm từ 0,8% xuống 0,2% và tỷ lệ hiệu suất tăng lên 99,5% sau khi một khuôn đầu nối điện nhất định sử dụng kênh dẫn nước phù hợp được in 3D.
Zhongrui Technology đã chế tạo khuôn vỏ máy điều hòa không khí cho một công ty thiết bị gia dụng để rút ngắn chu trình đúc. Bằng cách cải thiện cách sắp xếp kênh làm mát, chu trình ép phun đã tăng từ 45 giây lên 30 giây và năng lực sản xuất hàng năm của một thiết bị đã tăng thêm 120.000 chiếc.
Sử dụng năng lượng thấp hơn: CoolestDC ở Singapore đã sản xuất tấm làm mát bằng chất lỏng in 3D-với thiết kế liền mạch tích hợp sử dụng ít năng lượng hơn 15% so với các tấm làm mát bằng chất lỏng hàn đồng thông thường và không có nguy cơ rò rỉ.
4. Thiết kế gọn nhẹ: tiết kiệm chi phí vật liệu và vận chuyển
Trọng lượng của khuôn có ảnh hưởng trực tiếp đến lượng năng lượng sử dụng trong quá trình gia công, chi phí vận chuyển và độ an toàn khi làm việc. Công nghệ tối ưu hóa cấu trúc liên kết trong in 3D kim loại có thể loại bỏ hầu hết vật liệu mà vẫn giữ được cấu trúc chắc chắn.
Một khuôn đúc-cụ thể sử dụng cấu trúc đỡ lưới kim cương in 3D-giúp khuôn nhẹ hơn 35% và bền hơn-20%.
Thiết kế mô-đun: Các khuôn lớn có thể được chia thành các mô-đun nhỏ hơn, nhẹ hơn để in. Sau đó, các mô-đun này có thể được ghép lại với nhau bằng các kết nối cơ học để giảm rủi ro khi vận chuyển từng bộ phận riêng lẻ. Ví dụ: một công ty sản xuất thiết bị năng lượng gió đã cắt khuôn cho cánh quạt có đường kính 2{3}}m thành 8 mảnh, giúp giảm 40% chi phí vận chuyển.
Tích hợp chức năng: In 3D kim loại có thể kết hợp các kênh làm mát, chốt đẩy, khe xả và các thành phần chức năng khác, giúp cắt giảm số lượng bộ phận cần thiết cho khuôn. Thiết kế tích hợp đã cắt giảm số lượng bộ phận trong một khuôn cản ô tô nhất định từ 127 xuống còn 38 và thời gian để lắp ráp chúng lại với nhau đã giảm 70%.
5. Khả năng tương thích vật liệu: hoạt động với-kim loại và vật liệu tổng hợp hiệu suất cao
Chế tạo khuôn truyền thống chủ yếu sử dụng thép khuôn và hợp kim nhôm, nhưng in 3D kim loại có thể sử dụng các vật liệu độc đáo như hợp kim titan, hợp kim nhiệt độ cao và hợp kim đồng để hoạt động trong môi trường rất khắc nghiệt.
Một nhà sản xuất động cơ tua-bin nhất định trong lĩnh vực hàng không vũ trụ sử dụng các ống xoắn hợp kim titan in 3D để cải thiện thiết kế đường dẫn khí. Điều này làm cho tỷ lệ lực đẩy-trên-trọng lượng cao hơn 5% và khả năng chịu nhiệt độ lên tới 600 độ .
Một công ty điện hạt nhân sử dụng van hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken-được in 3D trong khu vực thiết bị năng lượng để đạt được 100.000 chu kỳ không rò rỉ-ở 10 MPa và 550 độ . Những van này có tuổi thọ cao gấp ba lần so với các loại van tiêu chuẩn.
Tản nhiệt vi điện tử: Nhà cung cấp dịch vụ trung tâm dữ liệu sử dụng mô-đun làm mát bằng hợp kim đồng-được in 3D bằng chất lỏng{2}}có độ dẫn nhiệt 398W/(m · K). Điều này giúp tản nhiệt hiệu quả hơn 60% so với các mô-đun nhôm.