Wie lassen sich Metall-3D-Druck und Formspritzguss kombinieren?

一, Die Hauptidee hinter der technologischen Integration besteht darin, von „Substitution“ zu „Komplementarität“ zu gelangen.
Metall-3D-Druck und Spritzguss sind nicht nur zwei Technologien, die zusammenarbeiten; Sie sind eine Mischung aus „additiver Fertigung“ und „subtraktiver Verarbeitung“, die zusammenwirken, um Effizienz und Funktionalität zu verbessern. Die folgenden drei Dinge zeigen die Hauptlogik:
Ein großer Fortschritt in Sachen Designfreiheit
Herkömmliche Spritzgussformen sind durch Verarbeitungsmethoden eingeschränkt, und komplizierte Designs wie konforme Kühlwasserkanäle und interne Verstärkungsrippen erfordern unterschiedliche Produktions- und Montageprozesse, was zu höheren Preisen und längeren Zyklen führt. Mit der LPBF-Technik können integrierte komplizierte Strukturen direkt gedruckt werden, indem Metallpulver Schicht für Schicht geschmolzen wird. Beispielsweise hat die Lasertechnologie den Prozess für atmungsaktiven Stahl der dritten-Generation geschaffen, mit dem multidirektionale atmungsaktive Strukturen mit einer Öffnung von 0,04 mm in Formen hergestellt werden können. Dies löst das Problem, dass typische atmungsaktive Stahleinsätze die Luft nicht besonders gut ablassen.
Das richtige Gleichgewicht zwischen Kosten und Effizienz finden
Die Anschaffung der Ausrüstung für den 3D-Metalldruck ist zwar teuer, kann aber dazu beitragen, Materialverschwendung zu reduzieren (mit einer Materialausnutzungsrate von über 90 %). Unternehmen können den 3D-Druck nutzen, um die Kernfunktionselemente von Formen (z. B. konforme Kühleinsätze) herzustellen, und die traditionelle Verarbeitung zur Herstellung peripherer Strukturen nutzen. Dadurch werden die Kosten erheblich gesenkt. Beispielsweise verwendet B&J Specialty den ProX DMP 300 von 3D Systems zum Drucken von Formeinsätzen für Automobilpipelines. Dadurch wird die Kühlzykluszeit von 1 Minute auf 40 Sekunden verkürzt, die Produktionseffizienz um 30 % gesteigert und die Lebensdauer der Form um 25 % verlängert.
Schnelle Änderungen und Auftragsanfertigungen
Mit dem Metall-3D-Druck können schnell Formprototypen für Tests und Verifizierungen während der Produktentwicklungsphase hergestellt werden. Dadurch werden die Kosten für die wiederholte Änderung des Designs reduziert. Beispielsweise nutzt ein Unternehmen, das Haushaltsgeräte herstellt, die LPBF-Technologie, um Spritzguss-Musterblöcke für Klimaanlagengehäuse herzustellen. Dadurch wird der herkömmliche 45-Tage-Zyklus mit 12 Prozessen auf 12 Tage verkürzt und Montagefehler von 0,1 mm auf 0,02 mm gesenkt, was die Lebensdauer der Form um das 200.000-fache verlängert.
2, Häufige Anwendungsfälle: von der Verbesserung der Funktionalität bis zur Modernisierung der Industrie
1. Ein flexibles Kühlsystem ist die beste Möglichkeit, Probleme beim Spritzgießen zu beheben.
Meistens ist der Kühlwasserkreislauf in typischen Spritzgussformen gerade, was eine Anpassung an die Produktoberfläche erschwert. Dies führt zu ungleichmäßiger Kühlung und Produktverformung. Die LPBF-Technologie kann einen konformen Kanal erzeugen, der sich perfekt an die Form des Objekts anpasst und es gleichmäßig kühlt. Zum Beispiel:
Automobil-Pipeline-Form: Mithilfe der Cimatron-Software baute B&J Specialty einen konformen Kühlwasserkreislauf, der die Temperatur der Form von 132 auf 18 Grad Celsius senkte, die Schrumpfungsrate des Produkts um 67 % senkte und die Ausbeute auf 98 % erhöhte.
Ein Zahnmedizinunternehmen stellt unsichtbare Formen für kieferorthopädische Apparaturen mithilfe der μ - LPBF-Technologie her, die eine Druckgenauigkeit von 2–5 μm aufweist. Das Design zur Topologieoptimierung verbessert die Homogenität der kieferorthopädischen Kraftverteilung um 40 % und erhöht die Anpassungsrate des Patienten von 85 % auf 98 %.
2. Um das Problem des eingeschlossenen Gases zu beheben, müssen die atmungsaktive Struktur und der Formkörper perfekt zusammenpassen.
Wenn das Gas im Formhohlraum während des Spritzgussvorgangs nicht schnell genug entweicht, kann es zu Problemen wie Produktblasen und schlechter Verschmelzung kommen. Die klassische Methode besteht darin, atmungsaktiven Stahl in die Form zu geben, funktioniert jedoch nicht so gut, wenn die Struktur kompliziert ist. Mit der LPBF-Technologie können poröse, atmungsaktive Schichten direkt auf den Formkörper gedruckt werden. Zum Beispiel:
Gasunterstützte Formgebung: Ein bestimmtes Unternehmen verwendet LPBF zum Drucken von Formkernen, erzeugt eine poröse Schicht an der Unterseite der Rippenplatte und bettet einen Belüftungsstab mit einer porösen Oberschicht ein. Beim Spritzgießen drückt Gas auf die Rippenplatte und die Oberseite des Lüftungsstabs. Dadurch wird das Produkt in Richtung der Oberfläche der Kavität gedrückt, wodurch innere Spannungen beseitigt und Schrumpfungslinien auf der Oberfläche verhindert werden.
Elektronikformen mit hoher Genauigkeit: Ein Hersteller von 3C-Produktformen stellt mithilfe von LPBF Rahmenformen für Mobiltelefone her. Die Formen verfügen über eine atmungsaktive Struktur mit einer Öffnung von 0,04 mm im Auslassbereich, was den Einspritzdruck um 30 % senkt und die Lebensdauer der Form um 40 % verlängert.
3. Leichtbau und Funktionsintegration: von „Strukturbauteilen“ zu „intelligenten Modulen“ Die LPBF-Technologie unterstützt Leichtbaukonstruktionen wie Gitterfüllung und Gitterstruktur und kann Funktionsmodule wie Sensoren und Heizelemente integrieren. 3. Leichtbau und Funktionsintegration: von „Strukturbauteilen“ zu „intelligenten Modulen“ Als Beispiel:
Ein bestimmtes Unternehmen verwendet eine von LPBF hergestellte Halterung aus Aluminiumlegierung für den Batteriesatz seines neuen Energiefahrzeugs. Durch die Gitterstruktur ist die Halterung 38 % leichter und besteht einen 150 %-Überlastungstest, wodurch die Reichweite um 8 % erhöht wird.
Intelligentes Formsystem: Ein Medizinunternehmen baut Temperatursensoren in LPBF-gedruckten Formen ein, damit es die Temperatur des Kühlwasserkreislaufs in Echtzeit im Auge behalten kann. KI-Algorithmen ändern die Einspritzparameter im Handumdrehen, um das Produkt um 50 % konsistenter zu machen.
3, Technologische Probleme und Trends für die Zukunft: Vom „Single Point Breakthrough“ zur „ökologischen Umstrukturierung“
1. Aktuelle Probleme: Materialien, Genauigkeit und Nachbearbeitung
Einige Metallpulver, darunter Kupferlegierungen mit starker Wärmeleitfähigkeit, müssen noch für den Druck optimiert werden, damit Dichte und Kosten im Gleichgewicht sind.
Oberflächenqualität und -genauigkeit: LPBF-gedruckte Formen erfordern eine CNC-Präzisionsbearbeitung oder Kugelstrahlen, um die Oberflächenrauheit (Ra) zu erreichen<0.8 μ m) criteria for injection moulding.
Integration mehrerer Materialien: LPBF unterstützt jetzt nur noch das Drucken mit jeweils einem Material. Formen benötigen jedoch typischerweise Verbundkonstruktionen aus verschiedenen Materialien, wie z. B. hoch{1}hartem Stahl und hoch-Wärmeleitfähigkeit-Kupfer.
2. Zukünftige Trends: Verschmelzung von Technologien und Umstrukturierung der Umwelt
Hybride Werkzeuge zur Herstellung von Dingen: Die AXIOM-Technologie kombiniert 3D-Druckdüsen und CNC-Fräser, um eine „additiv-subtraktive“ integrierte Bearbeitung zu ermöglichen. Dies reduziert die Größe und die Kosten der für die Arbeit erforderlichen Ausrüstung.
Intelligente Prozessoptimierung: LPBF kann Eigenspannungen und Verformungen in Echtzeit vorhersagen, indem es thermomechanische Kopplungsmodelle mit Methoden des maschinellen Lernens kombiniert. Beispielsweise hält das Finite-Elemente-Modell von Autodesk den Unterschied in der radialen und umfangsmäßigen Zugleistung von Turbinenschaufeln aus Titanlegierung innerhalb von 5 % und sorgt dafür, dass sie 30 % länger halten.
Umweltfreundliche Herstellung und Kreislaufwirtschaft: LPBF recycelt mehr als 85 % seines Pulvers und setzt keine Schneidflüssigkeit frei. Somit erfüllt es die Vorschriften für umweltfreundliche Herstellung, einschließlich des „Kohlenstofftarifs“ der EU. Ein Unternehmen senkte die Kosten für einen einzelnen Satz Formmaterialien um 20 %, indem es noch nicht geschmolzenes Pulver recycelte und siebte.