Wie kann mit dem Metall-3D-Druck ein hochpräzises -Abformen von Formen erreicht werden?

一, Technisches Prinzip: vom Mikroschmelzbad zur Makrogenauigkeit, präzise Steuerung
Die Grundidee des Metall-3D-Drucks besteht darin, Metallpulver Schicht für Schicht mithilfe energiereicher Wärmequellen zu schmelzen. Dies ermöglicht den direkten Übergang von digitalen Modellen zu realen Teilen. Beispielsweise besteht der Prozessablauf für die Laser Selective Melting (SLM)-Technologie aus vier Hauptschritten:
Pulververteilung: Ein bidirektionaler Schabermechanismus verteilt das Metallpulver gleichmäßig auf der Werkbank. Die Schichtdicke lässt sich sehr präzise zwischen 5 und 50 μm regulieren, was die Grundlage für eine Genauigkeit im Mikrometerbereich bildet.
Laserscanning: Eine f-Theta-Linse fokussiert den hochenergetischen Strahl eines 200-W-Faserlasers, um einen Punkt mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm zu erzeugen. Das Pulver wird entlang einer vordefinierten Bahn mit einer Geschwindigkeit von 3000 mm/s geschmolzen, und die Breite des Schmelzbades beträgt etwa das Zwei- bis Dreifache des Durchmessers des Flecks.
Schichtweises Stapeln: Nachdem jede Schicht geschmolzen ist, wird die Werkbank um die Höhe einer Schicht abgesenkt, und der Schmelzprozess des Pulverlegens wird wiederholt, bis durch schichtweises Stapeln eine dreidimensionale Feststoffbildung erreicht ist.
Kontrollieren Sie die Atmosphäre: Halten Sie die Formkammer mit einem Inertgas gefüllt, das weniger als 0,1 % Sauerstoff enthält. Dadurch wird verhindert, dass Metall oxidiert, und die Leistung des Materials bleibt stabil.
Diese Methode des schichtweisen Schmelzens ermöglicht es, innerhalb der Form komplizierte Formen zu erzeugen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu bearbeiten sind. Beispielsweise kann die Platinum BLT-S400-Ausrüstung die minimale Strukturgröße auf 100 μm genau und die ursprüngliche Oberflächenrauheit Ra auf 8 μm genau für eine Formgröße von 400 × 300 × 400 mm³ durch kollaboratives Multi-Laser-Scannen steuern. Dies bietet Hardware-Unterstützung für die Herstellung von Formen mit sehr hoher Genauigkeit.
2, Vier Hauptmöglichkeiten zur Verbesserung der Genauigkeit mithilfe von Technologie
1. Ein flexibler Kühlkanal, der von der gleichmäßigen Wärmeverteilung bis zur exakten Temperaturkontrolle reicht
Das typische Formkühlsystem verwendet gerade Löcher oder Bohrtechnologien und die Anordnung des Kühlwasserkreislaufs ist begrenzt. Dies kann leicht zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Form führen, was zu Problemen wie Produktverformung und Schrumpfung führen kann. Die Metall-3D-Drucktechnologie hat diese Hürde überwunden. Mit Topologieoptimierungsdesign kann im Inneren der Form ein konformer Kühlkanal hergestellt werden, der perfekt zur Form des Formhohlraums passt.
Platinum Technology verwendet BLT-18Ni300-Formstahl und 3D-Druck, um den Kühlwasserkanal mit einem Durchmesser von 2–3 mm und einem Wasserkanalabstand von 5–8 mm herzustellen. Dadurch kann die Kühlflüssigkeit direkt auf Hochtemperaturbereiche wirken. Experimentelle Daten deuten darauf hin, dass das verbesserte Kühlsystem den Oberflächentemperaturunterschied der Form von 15–20 Grad bei herkömmlichen Verfahren auf unter 5 Grad verringern, den Spritzgießzyklus um 15–30 % verkürzen und die Produktausbeute um über 10 % steigern kann.
2. Leichte Struktur: vom Wegnehmen von Material bis hin zur Verbesserung der Struktur
Bei der Herstellung von Formen auf altmodische-Methode werden überflüssige Materialien durch mechanische Bearbeitung entfernt. Das kostet Ressourcen und erschwert den Aufbau komplexer interner Strukturen. Mithilfe von Methoden zur Topologieoptimierung können beim Metall-3D-Druck nicht benötigte Elemente präzise entfernt werden, während die Form stabil bleibt, was zu einem leichten Design führt.
Nachdem beispielsweise die 3D-Drucktechnologie zur Herstellung einer Form für ein Autoteil eingesetzt wurde, konnte das Gewicht um 35 % und die Materialkosten um 28 % gesenkt werden. Gleichzeitig verringert die Leichtbauweise das Gewicht der Form, verkürzt die Zeit für den Formwechsel um 40 % und steigert die Produktionseffizienz erheblich. Durch das Füllen der nicht-last-tragenden Abschnitte mit Gitterstrukturen kann das Gewicht weiter reduziert werden, ohne an Steifigkeit einzubüßen. Dies ist eine neue Möglichkeit, Formen leichter zu machen.
3. Komplexe Funktionsintegration: Von einer Struktur zu vielen Funktionen
Der Metall-3D-Druck verfügt über schichtweise Fertigungsmerkmale, die es ermöglichen, mehrere funktionale Strukturen in Formen zu kombinieren. Beispielsweise können bei Spritzgussformen der Auswerfermechanismus, der Schieber, der Kühlwasserkreislauf und andere Teile in einem Teil zusammengefasst werden, um die Montage zu vereinfachen und die Fehleranfälligkeit zu verringern. In einem medizinischen Formenszenario wurde mithilfe des 3D-Drucks die Form, die früher aus 12 Teilen zusammengesetzt werden musste, in nur 2 Teile hergestellt. Dadurch verkürzte sich die Zeit für den Zusammenbau der Form von 8 Stunden auf 1,5 Stunden und die Maßtoleranz blieb innerhalb von ± 0,02 mm.
4. Materialinnovation: Von universellen Legierungen zu kundenspezifischen Materialien
Der Metall-3D-Druck kann mit einer Vielzahl von Materialien funktionieren, darunter Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Legierungen auf Nickelbasis-. Es kann auch die Eigenschaften von Materialien verändern, indem es die Zusammensetzung des Pulvers verändert. In der Luft- und Raumfahrtindustrie beispielsweise können Formen aus Inconel 718, einer Legierung auf Nickelbasis, stabil bleiben und Korrosion widerstehen, selbst bei Temperaturen von bis zu 650 Grad, was für sehr schwierige Arbeitsbedingungen erforderlich ist. Im medizinischen Bereich kann die Steuerung der Porosität (30–70 % veränderbar) und der Porengröße (200–600 μm) von Titanlegierungen dazu beitragen, dass Implantate und menschliche Knochen besser zusammenarbeiten, was zu einem größeren Erfolg bei chirurgischen Eingriffen führen kann.
3, Technologie für die Nachbearbeitung: vom groben Formen bis zur perfekten Genauigkeit
Auch wenn die ursprüngliche Formgenauigkeit des 3D-Metalldrucks im Mikrometerbereich liegt, muss dennoch Nachbearbeitungstechnologie hinzugefügt werden, um strenge Standards für die Qualität der Formoberfläche, die Maßhaltigkeit und andere Dinge zu erfüllen.
Die Wärmebehandlung ist ein Verfahren, das Eigenspannungen beseitigt und die Mikrostruktur von Materialien verbessert. Einige Beispiele sind Lösungsglühen und Alterungsbehandlung. Beispielsweise kann die Härte von H13-Werkzeugstahl nach einer Lösungsbehandlung bei 1050 Grad und einer Alterungsbehandlung bei 620 Grad von 38 HRC auf 52 HRC steigen. Auch die Verschleißfestigkeit wird deutlich verbessert.
Oberflächenbehandlung: Um die Oberfläche zu verbessern, werden Sandstrahlen, Polieren, Galvanisieren und andere Methoden eingesetzt. Durch mechanisches Polieren wurde die Oberflächenrauheit eines bestimmten Präzisionsformgehäuses von Ra8 μm auf Ra0,4 μm verringert. Damit wurden die Spritzgussstandards für optische Produkte erfüllt.
Präzisionsbearbeitung: CNC-Fräsen oder Erodieren wichtiger Teile mit strengen Größentoleranzen. Beispielsweise wird eine bestimmte Steckerform sowohl im 3D-Druck als auch in der CNC-Verbundfertigung hergestellt und der Steckabstand wird auf 0,005 mm gehalten, was den weltweit höchsten Wert darstellt.