Kann der Metall-3D-Druck direkt Formhohlräume erzeugen?

一, Technische Machbarkeit: Übergang vom Labor zur Produktionslinie
1. Vollständige Abdeckung des Materialsystems
Der Metall-3D-Druck kann jetzt mit allen Materialien funktionieren, die typischerweise zur Herstellung von Formen verwendet werden. Mit der Laser-Pulverbettschmelztechnologie (LPBF) können beispielsweise klassische Formmaterialien wie H13-Werkzeugstahl, P20-Formstahl und 1.2709 martensitischer Stahl gedruckt werden. Durch die Feinabstimmung der Prozesseinstellungen konnten wichtige Kennzahlen wie Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit der gedruckten Teile den Spezifikationen für Schmiedematerialien entsprechen oder diese übertreffen. Ein Unternehmen nutzte beispielsweise die LPBF-Technologie, um Formlöcher aus H13-Stahl herzustellen. Die Härte stieg nach der Wärmebehandlung auf 52 HRC und die thermische Ermüdungslebensdauer war 40 % länger als bei typischer Verarbeitung. Es kann mehr als 500.000 Spritzgießzyklen bewältigen.
Der Metall-3D-Druck hat sich im Bereich bestimmter Materialien als besonders vorteilhaft erwiesen. Da die Menschen Materialien wünschten, die sowohl hochleitfähig als auch korrosionsbeständig waren, entwickelte das Unternehmen ein Druckverfahren für Legierungen auf Kupferbasis. Dieses Verfahren hat einen Wärmeleitkoeffizienten von bis zu 380 W/(m · K), was 25 % höher ist als bei herkömmlichen Berylliumkupferformen. Da die Menschen leichte Materialien wollten, kann die Drucktechnologie aus Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen das Formgewicht um 30 bis 50 % reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit der Struktur beibehalten.
2. Uneingeschränkter Fortschritt in der strukturellen Komplexität
Der traditionelle Formenbau ist durch die geometrischen Grenzen der subtraktiven Bearbeitung begrenzt. Um komplexe Strukturen herzustellen, müssen Methoden wie Teilen, Spleißen und Schweißen verwendet werden, was die Formen weniger genau macht und ihre Lebensdauer verkürzt. Durch den Metall-3D-Druck können alle komplizierten Formen sofort hergestellt werden, insbesondere neue Formen wie konforme Kühlkanäle, atmungsaktiver Stahl und Punktmatrixfüllung.
Mit herkömmlichen Bohrmethoden können beispielsweise nur gerade oder einfach linienförmige Wasserkanäle erstellt werden. Im Gegensatz dazu können durch den 3D-Druck unregelmäßige Wasserkanäle wie Spiralen, Äste und biomimetische Blattadern erzeugt werden, wodurch die Kühleffizienz um mehr als 40 % verbessert werden kann. Nach der Verwendung eines topologieoptimierten Kanaldesigns für eine Form für einen Zierstreifen für einen Autotürrahmen sank die Zeit, die zur Herstellung eines Stücks benötigt wurde, von 120 Sekunden auf 75 Sekunden und die Ausbeute stieg von 89 % auf 98 %. Unternehmen, die atmungsaktiven Stahl herstellen, konnten die Öffnung von 0,04 mm mithilfe der Drucktechnologie für poröse Schichten präzise verwalten. Dies hat die Abgaseffizienz von Formen verdreifacht und Probleme wie Bindenähte und Blasen behoben, die entstehen, wenn Gas eingeschlossen wird.
3. Ständige Verbesserung der Oberflächenqualität und der Genauigkeit
Der frühe 3D-Metalldruck hatte Schwierigkeiten, die hohen Präzisionsanforderungen des Formenbaus zu erfüllen, da die Bindungskraft zwischen den Schichten nicht stark genug war und die Oberfläche zu rau war. Dank des technischen Fortschritts konnte dieses Problem jedoch behoben werden. Derzeit können hochwertige 3D-Druckmaschinen für Metall Teile mit einer Maßgenauigkeit von ± 0,05 mm und einer Oberflächenrauheit von Ra kleiner oder gleich 1,6 μm herstellen. Beim Polieren, Sandstrahlen und anderen Schritten kann die Oberfläche so glatt wie ein Spiegel werden.
Beispielsweise verwendet die TrueShape-Technologie von Mantle eine Kombination aus „3-Achsen-CNC-Bearbeitung + Zeichnen und Drucken + Softwaredesign“, um Formhohlräume sehr genau herzustellen. Bei diesem Verfahren wird ein Formhohlraum aus H13-Stahl mit einer Oberflächenrauheit Ra von nur 0,8 μm gedruckt, was bedeutet, dass er sofort für den Hochglanzspritzguss verwendet werden kann, ohne dass er vorher poliert werden muss. Diese Technologie ermöglicht auch den Multimaterial-Verbunddruck, der verschleißfeste Beschichtungen auf die Oberfläche der Form aufbringen kann. Dadurch kann die Form mehr als dreimal länger halten als bei herkömmlichen Methoden.
2, Industrielle Praxis: Vom Testen von Ideen bis zur groß angelegten Nutzung
1. Automobilformen: eine doppelte Revolution in Bezug auf Kosten und Effizienz
Der Metall-3D-Druck hat sich über die Phase der Ideenverifizierung hinaus zur groß angelegten Anwendung im Bereich der Automobilformen entwickelt. Ein Unternehmen, das Autos herstellt, nutzt die LPBF-Technologie, um Formen für Motorzylinderköpfe herzustellen. Der Spritzgusszyklus ist um 37,2 % kürzer und die Kosten pro Artikel sind um 22 % niedriger, wenn das Design des konformen Kühlwasserkanals verbessert wird. Was noch beeindruckender ist, ist, dass diese Technologie Formen „einmalig formen“ kann, ohne auf das Öffnen der Form warten zu müssen. Dies verkürzt die Zeit, die für die Entwicklung neuer Produkte benötigt wird, von 6 Monaten auf 2 Monate und beschleunigt die Reaktionszeit am Markt erheblich.
Der Metall-3D-Druck eignet sich auch hervorragend für die Herstellung leichter Formen. Ein bestimmtes Unternehmen für neue Energiefahrzeuge stellt Formen für Batteriewannen mithilfe der Drucktechnologie aus Aluminiumlegierungen her. Das Gewicht der Form wird um 45 % und der Energieverbrauch beim Spritzgießen um 18 % reduziert, und das alles bei gleichbleibender Festigkeit der Form. Die Form hat 200.000 Spritzgießzyklen durchlaufen und funktioniert gut und zuverlässig.
2. Medizinische Formen: Der beste Weg, Dinge genau nach Ihren Wünschen herzustellen
Der medizinische Beruf benötigt Formen, die sehr spezifisch und individuell sind, und der Metall-3D-Druck ist der beste Weg, dies zu erreichen. Ein Unternehmen, das Formen für orthopädische Implantate herstellt, nutzt die Drucktechnologie aus Kobalt-Chrom-Legierungen, um Formen herzustellen, die „patientenspezifisch“ sind. Es wird sofort ein digitales Modell der Form erstellt, indem vom Patienten mittels eines CT-Scans Knochendaten eingeholt werden. Die Form kann nach dem 3D-Druck auf 0,02 mm genau sein, was bedeutet, dass sie genau an den Körper des Patienten passt. Diese Technik wurde bei mehr als 5000 Eingriffen eingesetzt und hat die Genesungszeit der Patienten nach der Operation um 30 % und die Zahl der Komplikationen auf weniger als 1 % verkürzt.
Der Metall-3D-Druck bietet auch im Bereich der Formen für medizinische Geräte deutliche Vorteile. Ein bestimmtes Unternehmen stellt Herzstentformen mithilfe der Drucktechnologie aus Titanlegierungen her. Das Thromboserisiko wird erheblich gesenkt, indem die Oberfläche des Formhohlraums so glatt wie möglich gestaltet wird, wodurch die Oberflächenrauheit Ra des Stents auf weniger als oder gleich 0,2 μm gesenkt wird. Diese Form wurde von der FDA zertifiziert und ist die erste 3D-gedruckte Herzstentform der Welt.
3. Formen für die Luft- und Raumfahrt: die beste Verwendung von Hochleistungsmaterialien
Die Flugzeugindustrie benötigt Formen, die hohen Temperaturen standhalten, sehr stabil und sehr leicht sind. Der Metall-3D-Druck ist eine neue Möglichkeit, dies zu erreichen. Ein bestimmtes Unternehmen stellt Formen für Flugzeugtriebwerksschaufeln mithilfe der Drucktechnologie für Nickellegierungen her. Das Gewicht der Form wird durch die Optimierung der Gitterfüllstruktur um 35 % reduziert und sie bleibt auch bei einer hohen Temperatur von 1200 Grad stabil. Die Form hat 2000 thermische Zyklentests durchlaufen und ihre Leistung ist weitaus besser als die typischer Gussformen.
Der 3D-Metalldruck eignet sich auch sehr gut für die Herstellung von Formen für Satellitenteile. Ein Unternehmen stellt Satellitenhalterungsformen mithilfe der Drucktechnologie aus Aluminiumlegierungen her. Durch den Einsatz eines topologieoptimierten Designs wird das Gewicht der Formen um 60 % reduziert, während sie dennoch in der Lage sind, ihr Gewicht zu halten, was die Kosten für den Raketenstart senkt. Diese Form wurde zur Herstellung von mehr als 10 Satelliten verwendet und funktioniert gut und konstant.