Kann der Metall-3D-Druck herkömmliche Formenbaumethoden vollständig ersetzen?

一, Der Hauptunterschied zwischen additiver und subtraktiver Produktion aus technischer Sicht
Beim 3D-Metalldruck geht es um „digital gesteuertes schichtweises Schmelzen und Stapeln“. Beim Laserselektiven Schmelzen (SLM) werden beispielsweise nur bestimmte Arten von Metallpulver mithilfe hochenergetischer Laserstrahlen geschmolzen. Anschließend werden dreidimensionale Formen Schicht für Schicht aufgebaut und komplexe Innenräume, konforme Kühlkanäle und andere Strukturen direkt hergestellt, ohne dass Formen erforderlich sind. Platinum Technology hat einen biomimetischen, venenförmigen Wasserweg für die Form von Batteriekästen neuer Energiefahrzeuge entwickelt, der den Spritzgusszyklus um 35 % verkürzt und die Kühleffizienz um 40 % verbessert hat. Dies ist mit herkömmlichen Bohr- und Fräsmethoden nur schwer möglich.
Der traditionelle Formenbau hingegen nutzt „subtraktive Bearbeitung“ (wie CNC-Fräsen und Funkenerosion) und „gleiche Materialumformung“ (wie Gießen und Schmieden). Die Art und Weise, wie diese Prozesse funktionieren, bedeutet, dass bei der Formenkonstruktion die Machbarkeit der Verarbeitung berücksichtigt werden muss. Bei herkömmlichen Druckgussformen beispielsweise ist der Kühlwasserkanal häufig gebrochen oder gerade. Dies liegt daran, dass der Bohrer schwer zu erreichen ist und es schwierig ist, ein Design zu erstellen, das in das Formloch passt. Dadurch wird die Abkühlung ungleichmäßig und die Produkte verformen sich um mehr als 8 %.
Der wichtigste Punkt der technologischen Substitution: 3D-Druck ist die einzige Möglichkeit, wenn die Komplexität der Formstruktur (interne Querlöcher, dünnwandige Rippen, Mikrokanäle usw.) herkömmliche Methoden unpraktisch macht oder wenn Designänderungen schnell vorgenommen werden müssen. Beispielsweise verkürzte der 3D-Druck die Zeit, die für die Herstellung einer Schalenform für ein medizinisches Gerät benötigt wurde, von 6 Wochen auf 72 Stunden und erhöhte den Materialverbrauch von 25 % auf 95 %.
2, Kostenstruktur: Geschäftswende in Kleinseriensituationen
Die Kosten für die Formenentwicklung machen bis zu 60 % bis 70 % der Gesamtkosten des herkömmlichen Formenbaus aus. Diese Kosten umfassen den Verschleiß der Ausrüstung und den Arbeitsaufwand für die Elektrodenherstellung, die Funkenerosion, das Drahtschneiden und andere Prozesse. „Direktes Formen digitaler Modelle“ im Metall-3D-Druck macht Gussformen überflüssig, und die wichtigsten Faktoren, die die Kosten bestimmen, sind die verwendeten Pulvermaterialien und der Verschleiß der Ausrüstung.
1. Bei Kleinserien (1–100 Stück) ist der 3D-Druck deutlich besser.
Die Menge des verwendeten Materials: Bei herkömmlichen Methoden wie Schmieden und Rohlingsschneiden werden bis zu 70 % des Materials verschwendet. Aber beim 3D-Druck kann das übrig gebliebene Pulver recycelt werden, sodass über 90 % des Materials verwendet werden. Beispielsweise senkt der 3D-Druck die Materialkosten für eine bestimmte Aluminium-Metalldruckgussform um 58 %.
Verarbeitungskosten: Bei herkömmlichen Formen müssen mehrere Maschinen zusammenarbeiten, um sie zu verarbeiten. Beim 3D-Druck ist jedoch nur eine Maschine für das Formen der Kernstruktur erforderlich, was die Verarbeitungskosten um 40 bis 60 % senkt.
Zykluszeit: Der Standard-Formöffnungszyklus kann bis zu sechs bis acht Wochen dauern, der 3D-Druck dauert jedoch nur drei bis fünf Tage. Dadurch kann der Forschungs- und Entwicklungszyklus um mehr als siebzig Prozent verkürzt werden, was es perfekt für die Verifizierungsphase der Testproduktion macht.
2. Bei Großaufträgen (mehr als 1000 Stück) ist traditionelle Handwerkskunst immer noch die Norm.
Stückkosten: Mit steigender Produktion sinken die gemeinsamen Kosten herkömmlicher Formen sehr schnell. Als beispielsweise viele Motorhaubenformen hergestellt wurden, sank der Preis pro Stück von 2.000 Yuan für den 3D-Druck auf 80 Yuan für altmodische Methoden.
Präzision und Oberflächenqualität: Beim herkömmlichen CNC-Schneiden können Sie eine Oberfläche mit einer Ebene von 0,8 μm erhalten. Beim 3D-Druck müssen Sie jedoch Polieren, Sandstrahlen und andere Schritte durchlaufen, um eine Oberfläche mit einer Ebene von 3,2 μm zu erhalten, was mehr kostet.
Wenn die jährliche Produktion von Formen 500 Stück übersteigt, sind die Kosten für ein einzelnes Stück bei herkömmlichen Methoden niedriger als beim 3D-Druck. Berücksichtigt man das Risiko von Designänderungen (z. B. erfordert der Austausch einer herkömmlichen Form ein erneutes Öffnen, was bis zu 30 % bis 50 % der ursprünglichen Kosten kosten kann), können die Vorteile des 3D-Drucks in der flexiblen Produktion auf Situationen ausgeweitet werden, in denen etwa 1000 Teile pro Jahr produziert werden.
3, Industrieökologie: Wie Technologie zusammenarbeiten kann, um der Umwelt zu helfen, und wie sie wieder aufgebaut werden kann
Traditioneller Formenbau und 3D-Metalldruck konkurrieren miteinander, aber es ist kein Nullsummenspiel. Stattdessen ist es eine Kraft, die das industrielle Umfeld in Richtung der Integration von „Design-Manufacturing-Services“ drängt.
1. Technologien kombinieren: Verbundwerkstoffe mit additiven und subtraktiven Methoden herstellen
Unternehmen, die an der Spitze stehen, durchbrechen die Grenzen einer einzelnen Technologie, indem sie „3D-Druck + CNC-Präzisionsbearbeitung“ gemeinsam nutzen. Die BLT-S450-Ausrüstung von Platinum kann beispielsweise sechs-kollaboratives Laserdrucken durchführen und ein fünf{6}Achsen-Bearbeitungszentrum kann Formhohlräume mit Spiegelgenauigkeit-reparieren. Dadurch bleiben die komplexen strukturellen Fähigkeiten des 3D-Drucks erhalten und gleichzeitig werden die Anforderungen an die Oberflächenqualität herkömmlicher Formen erfüllt.
2. Neue Materialien: Funktionelle Gradienten und Verbundmaterialien
Bei den in traditionellen Formen verwendeten Materialien handelt es sich meist um Einzellegierungen. Der 3D-Druck kann jedoch funktionell abgestufte Materialien auf eine Weise platzieren, die für jeden Auftrag einzigartig ist. Im Fall einer Flugzeugtriebwerksform wird durch den 3D-Druck eine Beschichtung mit hoher-Härte (wie WC Co) auf die Oberfläche aufgebracht. Dadurch bleibt der Kern robust und ermöglicht „ein Material für mehrere Verwendungszwecke“, was eine Verbesserung gegenüber der alten Art der Verbindung verschiedener Materialien darstellt.
3. Servicemodus: vom Verkauf von Geräten bis zur Bereitstellung von Lösungen
„Hardwarelieferanten“ ändern ihren Namen in „Dienstleistungsintegratoren“ für Gerätehersteller. Platinum hat ein „Ausrüstung+Materialien+Prozessdatenbank“-System veröffentlicht, das zusammenarbeitet. Die Preise für selbst hergestelltes Titanlegierungspulver sind 50 % niedriger als im Jahr 2020, und die Internet-of-Things-Plattform hat es ermöglicht, Gerätefehler aus der Ferne zu diagnostizieren und vor ihnen zu warnen, was den Serviceumsatz auf 30 % erhöht hat.
4. Standards in der Branche: Vom Wildwuchs zur standardisierten Entwicklung
Der traditionelle Formenbau hat ein umfassendes Standardsystem geschaffen, beispielsweise den ISO 2768-Standard für die Formengenauigkeit. Allerdings gibt es bei 3D-Druckformen immer noch Probleme, z. B. ist es nicht möglich, eine Genauigkeitsgenehmigung zu erhalten und die Fehlerquote nicht zu kontrollieren. Beispielsweise müssen Formen für medizinische Implantate alle drei bis fünf Jahre sowohl von der FDA als auch von der CE zertifiziert werden. Dies erschwert die Verbreitung des 3D-Drucks in High-End-Bereichen.