Kann der Metall-3D-Druck die Ausschussquote bei der Formenherstellung reduzieren?

一, Das Abfallproblem im traditionellen Formenbau: das doppelte Problem der Materialverschwendung und des Effizienzverlusts
Im traditionellen Formenbau kommt der Ansatz der „subtraktiven Bearbeitung“ zum Einsatz. Das bedeutet, dass Materialien durch eine Reihe von Schritten, wie Drehen, Fräsen, Hobeln und Schleifen, langsam abgetragen werden, bis die gewünschte Form erreicht ist. Bei diesem Prozesspfad gibt es drei wesentliche strukturelle Probleme:
Geringer Materialverbrauch: Bei der Herstellung von Druckgussformen für Zylinderköpfe von Automobilmotoren erfordern typische Methoden beispielsweise die Verarbeitung des gesamten Stahlbarrens in einer Form, wodurch bis zu 70 % des Materials verbraucht werden können. Basierend auf den Zahlen eines Unternehmens verbraucht dessen Formenbau 1200 Tonnen Stahl pro Jahr. Davon werden 840 Tonnen zu Müll und nur 360 Tonnen zu nützlichen Gegenständen.
Von der Vorbereitung der Rohstoffe bis zur Lieferung des Endprodukts sind 12 bis 15 Schritte erforderlich. Die Herstellung eines Formensatzes kann bis zu 2 bis 3 Monate dauern. Das Batteriepaket-Formentwicklungsprojekt für ein bestimmtes Unternehmen für neue Energiefahrzeuge wurde um acht Monate verschoben, da es mehrmals wiederholt werden musste. Dies hat das Unternehmen mehr als 20 Millionen Yuan gekostet.
Schwierige strukturelle Grenzen: Mit herkömmlichen Methoden ist es schwierig, Formen mit komplizierten Eigenschaften wie konformen Kühlkanälen und leichten Gitterstrukturen herzustellen. Um Musterblockformen herzustellen, muss ein bestimmtes Reifenunternehmen den gesamten Reifen in mehr als 20 Abschnitte zerlegen und jeden einzelnen Abschnitt einzeln bearbeiten, bevor er sie alle zusammenfügt. Dies erhöht nicht nur die Ausschussrate, sondern macht die Form auch ungenauer.
2, Der Durchbruch des Metall-3D-Drucks: ein Paradigmenwechsel von „subtraktiv“ zu „additiv“
Beim Metall-3D-Druck entstehen dreidimensionale Objekte durch das Übereinanderstapeln von Metallpulvern oder -drähten, was völlig im Widerspruch zur üblichen Vorgehensweise steht. Es zeigt auch drei Hauptvorteile für die Abfallwirtschaft:
1. Ein großer Anstieg der Materialverbrauchsrate: von 30 % auf 90 %
Wenn komplexe Strukturen wie Formhohlräume und Kühlkanäle von Hand hergestellt werden, ist eine große Bearbeitungszugabe erforderlich, was zu einer Menge Materialverschwendung führt.{0}}Die D-Drucktechnologie treibt die Fertigung direkt mithilfe von CAD-Modellen voran und verbraucht nur so viel Material wie die Teile selbst. Mithilfe der SLM-Technologie stellte ein bestimmtes Unternehmen eine Schalenform für einen Elektroantrieb aus einer Aluminiumlegierung her, die 92 % des Materials verwendet, statt der 35 %, die bei Standardmethoden verwendet werden. Dadurch werden pro Formensatz 180 Kilogramm Aluminiumlegierungsmaterial eingespart.
Noch wichtiger ist, dass der 3D-Druck ein Design mit „Topologieoptimierung“ ermöglicht, das weniger Material verbraucht und dennoch stabil ist. Ein bestimmtes Luftfahrtunternehmen nutzte die Topologieoptimierung, um eine Flügelstützform aus Titanlegierung herzustellen, die 30 % leichter ist und 45 % weniger Material verbraucht, bei gleicher Leistung.
2. Die Fähigkeit, komplizierte Strukturen herzustellen: die grundlegende Abfallquelle beseitigen
Ein häufiger Anwendungsfall für den 3D-Druck zur Abfallreduzierung ist der konforme Kühlkanal, der mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu bearbeiten ist. Durch den Einbau spiralförmiger und biomimetischer dendritischer Kühlkanäle im Inneren der Form, die perfekt zur Form des Produkts passen, kann die Kühleffizienz um mehr als das Dreifache gesteigert werden. Ein bestimmtes Unternehmen stellte eine Druckgussform für den Batterieträger von Fahrzeugen mit neuer Energie her. Es verwendet einen 3D-gedruckten konformen Wasserkreislauf, der den Kühlzyklus von 45 Sekunden auf 18 Sekunden verkürzt, die Produktqualifizierungsrate von 92 % auf 99,5 % erhöht und 12 Tonnen Stahlabfall einspart, indem die Anzahl der Versuchsformen reduziert wird.
Auch im Bereich Leichtbau ist die Möglichkeit zur Herstellung 3D-gedruckter Gitterstrukturen wichtig. Ein bestimmtes Unternehmen stellte eine Spritzgussform für Elektrowerkzeuge her. Durch die Herstellung einer hohlen sechseckigen Gitterstruktur in dem Bereich, der kein Gewicht trägt, wurde das Gewicht der Form um 25 % reduziert, die Menge des verwendeten Materials wurde um 30 % reduziert und die Zeit zum Abkühlen wurde um 15 % verkürzt, da sie weniger Wärme speichern konnte.
3. Schnelle Iterationsüberprüfung: Reduzieren Sie die Menge an Müll, die während der Testproduktion entsteht
Um eine herkömmliche Form herzustellen, müssen Sie mehrere Runden von Modifikationszyklen in der Probeproduktion durchlaufen, und jede Probeproduktion erzeugt eine Menge Abfall. Ein Fahrzeughersteller arbeitete an einer neuen Armaturenbrettform für ein neues Automodell, doch die ersten drei Versuchsformen mussten aufgrund von Konstruktionsfehlern verworfen werden. Dabei entstanden 45 Tonnen Abfall. Der „Design-Drucktest“-Zyklus kann mit der 3D-Drucktechnologie schnell erfolgen. Nachdem ein Unternehmen mit der Anwendung dieser Technik begonnen hatte, verkürzte sich der Herstellungszyklus der Formen von 6 Monaten auf 6 Wochen, die Anzahl der Formenversuche sank von 5 auf 2 und die Abfallquote ging um 70 % zurück.
3, Technologische Fortschritte und Zusammenarbeit zwischen Branchen: Beschleunigung der Entwicklung der Abfallentsorgung im 3D-Druck
Der 3D-Druck ist für die Abfallwirtschaft vielversprechend, muss aber noch drei große Probleme überwinden, bevor er in großem Maßstab eingesetzt werden kann:
Materialinnovation: Es ist wichtig, spezielle Pulvermaterialien herzustellen, die günstig sind und gut funktionieren. Ein bestimmtes Unternehmen stellte nanowolframkarbidverstärktes H13-Stahlpulver her, das die Form härter machte (HRC 60) und gleichzeitig ihre Zähigkeit beibehielt. Dadurch sanken die Materialpreise im Vergleich zu importierten Produkten um 40 %.
Standardisierung von Prozessen: Es ist sehr wichtig, eine einzige Bibliothek von Druckparametern und ein Qualitätskontrollsystem einzurichten. Ein Unternehmen hat das automatisierte Support-Generierungsprogramm e-stage für Metal+ entwickelt, das den Einsatz von Supportmaterialien um 35 % reduzieren und die Pulverrückgewinnungsrate auf 98 % erhöhen kann.
Zusammenarbeit in der Industriekette: Gerätehersteller, Materiallieferanten und Formenbauer müssen zusammenarbeiten, um eine Komplettlösung zu entwickeln, die „Hardware, Materialien und Dienstleistungen“ umfasst. Ein Unternehmen hat die UM600MT-Ausrüstung auf den Markt gebracht, die eine Formgröße von 400 mm × 600 mm × 500 mm aufweist. Diese Größe ist groß genug, um riesige Autoformen zu drucken. Die zugrunde liegende Prozessdatenbank verfügt über mehr als 200 häufig verwendete Materialeigenschaften.