Kann die Härte von 3D-Druckformen aus Metall die Anforderungen für eine Produktion mit hoher -Festigkeit erfüllen?

1. Wahl des richtigen Materials: Bodenträger aus Metallpulver mit hoher Zähigkeit
Das Material selbst bestimmt, wie hart 3D-Druckformen aus Metall sind. Werkzeugstahl, Edelstahl, Hartlegierungen und Speziallegierungen sind derzeit die am häufigsten verwendeten Materialien für 3D-Druckformen. Sie haben einen Härtebereich von HRC 20 bis 70, was bedeutet, dass sie in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden können.
Werkzeugstahl wie H13 und A2 hat nach der Wärmebehandlung eine Härte von HRC 40–60. Es ist robust und verschleißfest und eignet sich daher gut für Situationen mit hoher -Belastung wie Druckgussformen und Warmschmiedeformen. Beispielsweise verwendet ein Unternehmen, das Autoteile herstellt, 3D-gedruckte H13-Stahlformen, die nach der Wärmebehandlung eine Härte von HRC 52 haben. Diese Formen funktionieren genauso gut wie herkömmliche Schmiedeformen und halten dreimal länger.
Edelstahl 316L hat eine Härte von etwa 20–30 HRC, aber durch Anpassung der Druckeinstellungen und Nachbearbeitung kann seine Härte auf über 40 HRC erhöht werden, während er immer noch sehr korrosionsbeständig ist. Dadurch eignet es sich gut für Bereiche, in denen Hygiene sehr wichtig ist, wie Lebensmittelverpackungen und medizinische Geräte.
Hartlegierung: WC Co (Wolframcarbid-Kobalt) ist ein typischer Werkstoff für extreme Verschleißsituationen wie Stanz- und Ziehmatrizen. Er hat eine Härte von bis zu HRC 55–70 und ist mehr als zehnmal verschleißfester als Werkzeugstahl. Ein bestimmtes Unternehmen, das elektrische Teile herstellt, verwendet 3D-gedruckte Formen aus starker Legierung, um die Stanzfrequenz von 500.000 Mal auf 2 Millionen Mal zu verdoppeln.
3D printing can make fine-grained structures in special alloys like Inconel 718 nickel-based alloy. These structures are 20% harder than those made by traditional casting. They also stay strong at high temperatures (strength retention rate>90 % bei 650 Grad), weshalb sie häufig in Formen für Turbinenscheiben von Flugzeugtriebwerken verwendet werden.
2. Prozessoptimierung: Präzise Steuerung vom „Drucken“ bis zum „Umformen“
Die Härte von Metall Nicht nur das Material, sondern auch die genaue Steuerung der Prozessparameter sind beim 3D-Druck wichtig. Beispielsweise erhöht die selektive Laserschmelztechnologie (SLM) die Härte durch Optimierung der folgenden wichtigen Parameter:
Control of energy density: The quality of the molten pool is directly affected by the strength of the laser, the speed of the scan, and the size of the spot. When the energy density is low, the material may become more porous (15% less hard when>1 %), und wenn es hoch ist, kann es reißen. Eine Studie zeigt, dass beim Drucken von Edelstahl 316L mit einer Laserleistung von 150 W und einer Scangeschwindigkeit von 800 mm/s die Porosität unter 0,3 % bleibt und die Härte HRC 38 erreicht, was fast dem von Schmiedestücken entspricht.
Bindungsstärke zwischen den Schichten: Eine starke metallurgische Bindung zwischen den Schichten kann durch Änderung der Scanverfahren (z. B. Schachbrett-Scannen und Insel-Scannen) und der Schichtdicke (20–50 μm) hergestellt werden. Beispielsweise druckt ein bestimmtes Luftfahrtunternehmen Ti6Al4V-Turbinenschaufelformen mit einer Schichtdicke von 30 μm und einer Zwischenschichtbindungsfestigkeit von 450 MPa, was 20 % stärker ist als bei früheren Methoden.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 Grad /s) kann eine feinkörnige Struktur (wie Martensit) erzeugen, die das Material deutlich härter macht. Mithilfe der L-PBF-Technologie druckte das Team der City University of Hong Kong eine Al Mg Mn Sc Zr-Legierung. Sie nutzten den Nano-Twin-Verstärkungsmechanismus, um die Streckgrenze auf 656 MPa zu erhöhen und gleichzeitig die Duktilität bei 12 % zu halten.
3. Post-Technologie: der letzte Schritt zur Verbesserung der Härte
Der 3D-Druck ist nicht das Ende; Die Nachbearbeitungstechnologie ist der wichtigste Teil, um Formen härter zu machen.
Wärmebehandlung: Veränderung der Gitterstruktur durch Glühen, Abschrecken oder Altern. Beispielsweise stieg die Härte einer 3D-gedruckten 18Ni300-Form aus martensitischem Alterungsstahl nach einer Alterung bei 480 Grad von HRC 38 auf HRC 52. Dadurch wurden Restspannungen beseitigt und die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs verringert.
Um die Oberfläche zu härten, können Sie Kugelstrahlen, Nitrieren oder Laserauftragschweißen verwenden. Ein bestimmter Hersteller von Druckgussformen verwendete Kugelstrahlen, um H13-Stahlformen in 3D zu drucken. Dadurch wurde die Oberfläche härter (von HRC 50 auf HRC 58) und die Verschleißfestigkeit um 40 % erhöht.
Heißisostatisches Pressen (HIP): Verwendung von hohem Druck (100–200 MPa) und hoher Temperatur (900–1200 Grad), um innere Poren zu entfernen und die Materialdichte nahezu 100 % zu erreichen. Die mit HIP behandelte Inconel 718-Form ist 30 % härter und hält fünfmal länger als die nicht behandelte Form.
4. Industrieeinsatz: Tests vom Labor bis zur Fertigungslinie
Der Härtevorteil von 3D-Druckformen aus Metall wurde in mehreren Bereichen bestätigt:
GE Aviation verwendet 3D--gedruckte Inconel 718-Brennstoffdüsenformen mit einer Härte von HRC 45. Diese Formen sind 15 % leichter als Standardgussteile und halten hohen Temperaturen und Drücken stand.
Herstellung von Autos: Die BMW Group stellt Motorzylinderblöcke aus Aluminiumlegierung mithilfe von Stahlformen und 3D-Druckwerkzeugen her. Die Formhärte beträgt HRC 50 und sie hält mehr als 100.000 Mal, was die Kosten pro Stück um 40 % senkt.
Johnson & Johnson verwendet 3D--gedruckte orthopädische Implantatformen aus einer Kobalt-Chrom-Legierung, die HRC 60 hart und Ra sind<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.