Wie kann der Metall-3D-Druck bei der Herstellung von Präzisionsformen helfen?

1. Designfreiheit: Die geometrischen Grenzen der traditionellen Fertigung überwinden
Durch das Hinzufügen von Schichten, anstatt sie zu entfernen, verändert der 3D-Metalldruck die Logik der „subtraktiven Verarbeitung“ im traditionellen Formenbau völlig. Dieses technologische Merkmal ermöglicht es Formenbauern, bei komplizierten Strukturen über die Grenzen herkömmlicher Methoden hinauszugehen und die folgenden neuen Einsatzmöglichkeiten zu ermöglichen:
Entwurf eines Wasserkanals, der sich der Form des Objekts anpasst
Gerade Löcher oder gebogene Wasserkanäle sind in herkömmlichen Formkühlsystemen üblich. Diese lassen sich nur schwer an die komplizierten Formen des Produkts anpassen, was zu ungleichmäßiger Abkühlung und Verformung des Produkts führt. Durch den Metall-3D-Druck kann sofort ein 3D-Strömungskanalnetzwerk aufgebaut werden, das sehr gut an der Oberfläche des Produkts haftet. Dadurch wird die Kühlung um mehr als 40 % effizienter. Beispielsweise verwendet ein Unternehmen für neue Energiefahrzeuge 3D--gedruckte Druckgussformen für Batteriepackschalen- und optimiert das Design konformer Wasserkanäle, um den Spritzgusszyklus von 120 Sekunden auf 75 Sekunden zu verkürzen, die Produktausbeute von 85 % auf 99,5 % zu erhöhen und die Formlebensdauer auf mehr als das 100.000-fache zu verlängern, was dreimal länger ist als bei herkömmlichen Methoden.
Aufbau einer Leichtbaukonstruktion
Der Metall-3D-Druck kann das Gewicht um 30 bis 50 % einsparen und gleichzeitig stabile Formen herstellen, indem biomimetische Designs wie Gitterstrukturen und Hohlgitter verwendet werden. Eine spezielle Turbinenscheibenform für ein Flugzeugtriebwerk verwendet eine Gitterstruktur aus einer Titanlegierung, die das Gewicht um 42 % reduziert und gleichzeitig hohen Temperaturen standhält. Dies senkt die Kosten für den Transport und die Verarbeitung von Energie erheblich.
Integriertes Formen von Teilen mit vielen Funktionen
In herkömmlichen Formen müssen Teile wie Heißdüsen und Isolationsmesonen in mehreren Schritten zusammengefügt werden, was leicht zu Fehlern führen kann. Beim Metall-3D-Druck kann die gesamte Struktur der heißen Düse in einem Arbeitsgang gedruckt werden, wodurch Lücken zwischen den Abschnitten beseitigt werden und sie bei hohen Temperaturen stabiler wird. Ein bestimmtes Unternehmen nutzte den 3D-Druck, um isolierende Mesonen mit hohlem sechseckigem Gitter herzustellen. Dadurch konnte der Energieverbrauch des Heißkanalsystems um 25 % und die thermische Verformung des Werkzeugs um 60 % gesenkt werden.
2. Funktionsintegration: Von der Einzelumformung bis zur Optimierung des Gesamtprozesses
Der Metall-3D-Druck verändert nicht nur das Design von Formkörpern, sondern regt auch den gesamten Prozess der Formenherstellung durch funktionale Integration dazu an, neue Ideen zu entwickeln:
Formen mit mehr als einem Material
Mit der Laserauftragschweißtechnologie können unterschiedliche Materialien wie Metallkeramik und Metallkunststoff in einer Form kombiniert werden. Ein bestimmtes Unternehmen stellte eine „Metall-Keramik-Verbundform“ her, indem es eine hoch{2}harte Keramikschicht auf ein hoch{3}zähes Metallsubstrat druckte. Dadurch wird die Form dreimal widerstandsfähiger gegen Verschleiß und verlängert ihre Lebensdauer auf mehr als das 150.000-fache, was perfekt für die Herstellung präziser Strukturbauteile in der Unterhaltungselektronik ist, die schnell gefertigt werden müssen.
Ein ausgeklügeltes Sensorsystem eingebaut
Beim 3D-Druck können Sie Temperatur- und Drucksensoren sofort in die Form einbauen, wodurch ein „digitaler Zwilling“-Überwachungssystem entsteht. Eine bestimmte Autostoßstangenform verfügt über eingebaute-faseroptische Gittersensoren, die die Temperaturfeldverteilung im Formhohlraum in Echtzeit überwachen. Es verwendet außerdem KI-Algorithmen, um die Kühlparameter im Handumdrehen zu ändern, wodurch die Produktgröße auf ± 0,02 mm genau bleibt und die Form mehr als 200.000 Mal verwendet werden kann.
Schnelle Reparatur und Wiederaufbereitung: Die Direct Energy Deposition (DED)-Technologie kann abgenutzte Formen an einer Stelle reparieren und so die ursprüngliche Genauigkeit der Abmessungen wiederherstellen. Ein Flugzeughersteller nutzt die Laserbeschichtungstechnologie, um Druckgussformen aus Aluminiumlegierungen zu befestigen. Die Reparaturschicht haftet mit einer Kraft von 450 MPa am Untergrund und die Reparaturkosten betragen nur 30 % der Kosten für die Herstellung neuer Formen. Die Reparatur hält mehr als 90 % der ursprünglichen Lebensdauer.
3. Die Materialleistung hat sich von „nutzbar“ zu „hochleistungsfähig“ verbessert.
Die Lebensdauer einer Form wird vor allem dadurch beeinflusst, wie gut das Material funktioniert. Der Metall-3D-Druck verbessert die Qualität von Formmaterialien erheblich durch den Einsatz der folgenden Technologien:
Erstellen eines Systems spezieller Materialien
Als Reaktion auf die Anforderungen an die Betriebsbedingungen der Formen haben Unternehmen in China und auf der ganzen Welt mit der Herstellung einer Reihe spezifischer Pulvermaterialien begonnen:
ESU-H13-Formenstahl: Durch die Verbesserung der Karbidverteilung ist die Lebensdauer von Druckgussformen von 30.000 Mal bei Standardtechniken auf 60.000 Mal gestiegen. Es wurde zur Herstellung der Rahmen für Mobiltelefone der Huawei Mate-Serie verwendet.
CX Ultrahochfester Stahl: Er hat eine Zugfestigkeit von 1700 MPa und wird zur Herstellung von Formen für Bosch-Zylinderkörper für Automobilmotoren verwendet. Diese Formen halten mehr als 80.000 Zyklen, was 40 % länger ist als bei typischem S136-Stahl.
Aluminiumlegierung Al250C: Sie hält über 5000 Stunden bei 250 Grad und ist 50-mal besser als die Scalmalloy-Aluminiumlegierung. Es wird häufig in Strukturbauteilen der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.
Neue Ideen für den Wärmebehandlungsprozess
Erstellen Sie eine spezielle Wärmebehandlungsmethode, die mit der Art und Weise funktioniert, wie beim 3D-Druck Schichten miteinander verbunden werden:
Abgestuftes Abschrecken und kryogene Behandlung: Die Form aus martensitischem Stahl 1.2709 ist mit einer Härte von 52 HRC und einer Schlagzähigkeit CVN von 10 J sehr hart. Damit ist es stark genug, um den enormen Belastungen standzuhalten, denen künftige Energiefahrzeuge ausgesetzt sind.
Heißisostatisches Pressen (HIP): Durch die Verarbeitung bei 1200 Grad/150 MPa werden die inneren Poren in 3D-gedruckten Formen entfernt. Dadurch halten sie 200 % länger und erreichen 95 % der Lebensdauer typischer Schmiedetechniken.
Kombination von Oberflächenverstärkungstechnologie
Durch das Ultraschall-Kugelstrahlen wird eine 300 μm dicke Druckspannungsschicht auf der Oberfläche der Form erzeugt. Dadurch hält ein bestimmtes Schmiedegesenk um 20.000 bis 50.000 Zyklen länger.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD): Bei diesem Verfahren wird eine 0,05 mm dicke Diamantbeschichtung auf die Oberfläche des Formhohlraums aufgebracht, um diese zehnmal widerstandsfähiger gegen Verschleiß zu machen. Es wird zur Herstellung von Formen für Halbleiterverpackungen verwendet.
4. Einsatzmöglichkeiten in der Wirtschaft und Trends für die Zukunft
In der Automobil-, Luftfahrt- und Elektronikindustrie wird häufig die Metall-3D-Drucktechnologie eingesetzt.
In der Automobilindustrie produzierte Broadcom Precision für Tesla eine 3D-gedruckte integrierte Druckgussform, die die Anzahl der hinteren Bodenteile von 171 auf 1 reduzierte, die Produktion um 40 % effizienter machte und der Form eine Lebensdauer von 150.000 Malen verlieh.
Relativity Space stellt mit EOS M400-Geräten 3D-gedruckte Düsenformen aus Kupferlegierung für die Luftfahrtindustrie her. Diese Formen verwenden grüne Lasertechnologie, um das Problem zu beheben, dass Kupfermaterialien zu stark reflektieren. Die Lebensdauer entspricht dem Kriterium des SpaceX Starship-Projekts, jede Woche eine Einheit herzustellen.
Xiaomi Technology hat sich mit Yisu Laser zusammengetan, um Druckgussformen für Handyrahmen aus ESU{1}}H13-Material herzustellen. Diese Formen halten 120.000 Zyklen und können den Versand von über 50 Millionen Einheiten der Xiaomi 14-Serie pro Jahr unterstützen.
Der Metall-3D-Druck wird sich in Zukunft wie folgt verändern:
Integration mehrerer Materialien und Prozesse: Gemeinsame Nutzung der Binder-Jetting- (BJ) und Pulverbettschmelz- (PBF) Technologie zur schnellen und kostengünstigen Herstellung großer Formen.
KI-gesteuertes intelligentes Design: Generative Designalgorithmen optimieren automatisch die Struktur der Form, was bedeutet, dass mehr als 90 % des Materials verwendet werden.
Aufbau eines umweltfreundlichen Fertigungssystems: Die Verwendung recycelbarer Pulvermaterialien und eines geschlossenen -Produktionssystems, das die Kohlenstoffemissionen im gesamten Herstellungsprozess um 50 % senkt, entspricht den Anforderungen einer Kreislaufwirtschaft.