Wie sind die Anwendungsaussichten von Werkzeugstahl im 3D-Druck von Formmetallen?

一, Ein großer technologischer Fortschritt: von der „Funktionsimplementierung“ zum „Leistungssprung“
1. Die Fähigkeit, komplizierte Strukturen herzustellen
Bei der altmodischen Herstellung von Formen werden Methoden wie CNC-Bearbeitung und Funkenerosion (EDM) verwendet, wodurch es schwierig ist, komplizierte Formen wie konforme Kühlwasserkanäle und interne Verstärkungsrippen herzustellen. Durch das schichtweise Aufschmelzen von Metallpulver kann die LPBF-Technologie integrierte, komplizierte Strukturen direkt drucken. Bei der Herstellung von Formen für Hybridgetriebegehäuse nutzte Toyota beispielsweise die große LPBF-Portalanlage des Fraunhofer ILT und einen neuartigen Werkzeugstahl L-40, um Formeinsätze mit spiralförmigen Kühlwasserkanälen herzustellen. Durch diese Struktur wird die Temperatur der Form um 40 % gleichmäßiger, sie kühlt um 30 % schneller ab, die Produktschrumpfung wird um 67 % verringert und die Ausbeute auf 98 % erhöht.
2. Verbesserung der Funktionsweise von Materialien
Beim 3D-Druck von Werkzeugstahl müssen Sie Probleme wie Risse und Restspannungen beheben. Mithilfe der Kurzlaserpulstechnologie hat die Technische Universität AGH in Polen die Rissdichte von H11-Warmarbeitsstahl halbiert. Sie haben auch den Restaustenitgehalt kontrolliert, um die Härteschwankungsspanne auf ± 5HV zu halten. Desktop Metal hat außerdem die Single Shot Jet (SPJ)-Technologie entwickelt, die durch das Versprühen einer Mischung aus Metallpulver und Bindemittel mit hoher Geschwindigkeit schnell Prototypen aus D2-Werkzeugstahl herstellt. Es druckt 100-mal schneller als normales LPBF und die Materialdichte beträgt 99,5 %, wodurch es verschleißfester ist als herkömmliche Schmiedeteile.
3. Eine Mischung verschiedener Herstellungsarten
Der 3D-Druck von Werkzeugstahl wird üblicherweise zusammen mit anderen Techniken wie CNC-Bearbeitung und Kugelstrahlen durchgeführt, um einen einzigen Prozess namens „additiv-subtraktiv“ zu schaffen. Die Yisu Company verwendet beispielsweise LPBF, um die Kernfunktionsabschnitte von Formen zu drucken, einschließlich konformer Kühleinsätze. Diese Teile werden anschließend per CNC-Präzision auf eine Oberflächenrauheit von Ra bearbeitet<0.4 μ m, which extends the life of the mold from 200,000 cycles to 500,000 cycles. This mode keeps the design freedom of 3D printing while still meeting the rigorous standards for accuracy and surface quality that molds need.
2, Nachfrage in der Branche: von „High-End-Anpassung“ bis „Skalierungsanwendung“
1. Die Automobilindustrie: Leichtgewichtig und konzentriert auf die Erledigung von Aufgaben
Die Kosten für die Herstellung einer Autoform betragen 30 bis 40 % der gesamten Entwicklungskosten des Autos, und der Prozess kann 6 bis 12 Monate dauern. . 3D-Druck von Werkzeugstahl kann diesen Zyklus erheblich verkürzen. Beispielsweise setzt B&J Specialty die LPBF-Technologie ein, um Formeinsätze für Automobilrohrleitungen herzustellen. Dadurch wird die Kühlzykluszeit von 1 Minute auf 40 Sekunden verkürzt, die Produktionseffizienz um 30 % gesteigert und die Lebensdauer der Form um 25 % verlängert. Da der Bedarf an leichten Fahrzeugen mit neuer Energie wächst, wird auch der Einsatz des 3D-Drucks aus Werkzeugstahl in Formen wie Batteriepackhalterungen und Motorgehäusen zunehmen.
2. Der medizinische Bereich: Spezifische und individuelle Anforderungen
Medizinische Formen müssen sehr hohe Ansprüche erfüllen, etwa biokompatibel und sehr präzise sein. Durch topologieoptimiertes Design können mit dem 3D-Druck von Werkzeugstahl Formen hergestellt werden, die sowohl leicht als auch nützlich sind. Beispielsweise stellt ein Zahnmedizinunternehmen unsichtbare Formen für kieferorthopädische Geräte mithilfe der μ-LPBF-Technologie her, die eine Druckgenauigkeit von 2–5 μm aufweist. Die Konsistenz der kieferorthopädischen Kraftverteilung wird durch das konforme Kühldesign um 40 % verbessert und die Anpassungsrate des Patienten steigt von 85 % auf 98 %. Darüber hinaus kann der 3D-Druck aus Werkzeugstahl auch zur Herstellung hochwertiger Gegenstände wie Bohrschablonen und Formen für Implantate verwendet werden.
3. Unterhaltungselektronik: Schnelle Iteration und Herstellung kleiner Chargen
Unterhaltungselektronik hat eine kurze Lebensdauer und es kommt häufig zu Aktualisierungen der Form. Beim 3D-Druck von Werkzeugstahl können Sie den Prozess „Design-Drucktest“ schnell durchlaufen. Beispielsweise stellt eine bestimmte 3C-Produktformfabrik Formen für Mobiltelefonrahmen mit LPBF her. Dadurch wird die Struktur mit einer Öffnung von 0,04 mm im Auslassbereich atmungsaktiv, der Einspritzdruck wird um 30 % gesenkt und die Lebensdauer der Form um 40 % erhöht. Diese Technik hilft Unternehmen, sich schnell an Marktveränderungen anzupassen und die Gefahr zu großer Lagerbestände zu verringern.
3, Materialinnovation: Von der „einzelnen Leistung“ zur „multi-funktionalen Integration“
1. Herstellung von neuem Werkzeugstahl
Aufgrund der Funktionsweise des 3D-Drucks stellen Materialanbieter spezielles Werkzeugstahlpulver her. Beispielsweise stellt der Werkzeugstahl L-40, an dem das Fraunhofer ILT und Toyota gemeinsam gearbeitet haben, einen guten Kompromiss zwischen hoher Härte (HRC 52–55) und guter Zähigkeit durch Anpassung der Mengen an Legierungselementen wie Cr, Mo und V her. Dieses Material kann selbst bei sehr hohen Temperaturen von 600 Grad 80 % fest bleiben, was es für sehr schwierige Arbeiten wie Hochdruckgussformen geeignet macht.
2. Struktur aus mehr als einem Material
Der 3D-Druck mit Werkzeugstahl wandelt sich von der Verwendung nur eines Materials zur Verwendung mehr als eines. Wenn ein Unternehmen beispielsweise Formen mit LPBF druckt, beschichtet es die Oberfläche des Formhohlraums mit einer Kupferlegierungsschicht, um diese schnell abzukühlen, da Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Für die Stabilität des Hauptkörpers wird Werkzeugstahl verwendet. Diese Verbundstruktur verlängert die Lebensdauer der Form um 60 % und macht weitere Einlegearbeiten überflüssig.
3. Verwendung intelligenter Materialien
Echtzeitüberwachung und adaptive Steuerung von Formen sind möglich, wenn Sensoren beim 3D-Druck von Werkzeugstahl verwendet werden. Beispielsweise hat ein Medizinunternehmen Temperatursensoren in LPBF-gedruckte Formen eingebaut und KI-Algorithmen verwendet, um die Injektionsparameter in Echtzeit zu ändern. Dadurch wurden die Produkte um 50 % konsistenter. Künftig werden 3D-gedruckte Formen aus Werkzeugstahl dank intelligenter Materialien wie Formgedächtnislegierungen und selbst{10}}selbstheilenden Materialien in der Lage sein, sich selbst anzupassen und zu reparieren.