Wie hoch ist die Druckleistung von 316L-Edelstahl, der üblicherweise im Formenbau verwendet wird?

1. Eigenschaften des Materials: Edelstahl 316L (UNS S31603/EN 1.4404) ist eine Art austenitischer Edelstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit bei hohen Temperaturen aufweist. Zu seinen Hauptbestandteilen gehören 16 bis 18 % Chrom, 10 bis 14 % Nickel und 2 bis 3 % Molybdän. Durch den Zusatz von Molybdän wird das Material wesentlich widerstandsfähiger gegen Lochfraß und Spaltkorrosion, insbesondere an Stellen mit Chloridionen. An diesen Stellen ist seine Korrosionsbeständigkeit mehr als dreimal so hoch wie die von normalem Edelstahl 304.. 316L-Edelstahl kann der Erosion durch Meerwasser lange Zeit standhalten, was bedeutet, dass daraus hergestellte Schiffsbauformen zwei- bis dreimal länger halten als Formen aus anderen Materialien.
Die austenitische Struktur des Edelstahls 316L macht ihn außerdem sehr robust bei hohen Temperaturen. Seine Zugfestigkeit kann bei 600 Grad immer noch über 400 MPa bleiben, was weit über der 200 MPa-Schwelle von normalem Formstahl liegt. Diese Eigenschaft macht es perfekt für Formen, die beim Druckguss und Thermoformen bei hohen Temperaturen verwendet werden. Die Druckgussform für das Batteriepackgehäuse von Autos mit neuer Energieversorgung kann beispielsweise den Stößen von flüssigem Aluminium bei 400 Grad standhalten. Eine einzelne Form kann mehr als 80.000 Mal verwendet werden, was 40 % länger ist als bei typischen H13-Stahlformen.
2. Druckverfahren: Verwendung mehrerer technologischer Wege, um die Anforderungen der Formenherstellung zu erfüllen
Es gibt drei Hauptmethoden für den 3D-Druck von 316L-Edelstahl: selektives Laserschmelzen (SLM), direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) und Binder-Jetting. Jedes hat seine eigenen technischen Merkmale und Verwendungszwecke:
Bei der SLM-Methode wird ein Laser mit hoher-Energiedichte verwendet, um Schichten aus 15–53 μm großem, kugelförmigem Pulver zu schmelzen. Dadurch entstehen Teile mit einer Dichte von 99,5 % oder mehr. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass komplizierte konforme Kühlkanäle gedruckt werden können, was die Kühleffektivität von Formen erheblich erhöht. Beispielsweise sorgen SLM-gedruckte konforme Wasserkanäle in großen Automobilplattenformen dafür, dass die Temperatur der Form gleichmäßiger wird und von ± 15 Grad auf ± 3 Grad steigt, was die Zykluszeit um 35 % verkürzt.
DMLS-Technologie: Verwendet einen Laser mit geringerer Energiedichte, um Pulver mit einer Dicke von 20 bis 63 μm teilweise aufzuschmelzen. Dies eignet sich gut zum Drucken großer Strukturteile. Das Besondere daran ist die Tatsache, dass damit leichte Formen mit Wabengitterstrukturen im Inneren hergestellt werden können. Dadurch werden die Formen leichter, ohne an Festigkeit zu verlieren. Bei Schaufelformen für Flugzeugtriebwerke beispielsweise reduziert die durch DMLS erzeugte Punktmatrixstruktur das Gewicht der Form um 40 % und die Steifigkeit nur um 10 %.
Klebstoff-Sprühtechnologie: Sprühen Sie mit einem Tintenstrahlkopf Klebstoff übereinander, um 45–150 μm dickes Pulver zu verkleben. Anschließend wird es durch Entfetten und Sintern stärker. Mit dieser Technik kann mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 cm³/h gedruckt werden, was schnell genug ist, um Formrohlinge in großem Maßstab herzustellen. Bei der Herstellung von Gussformen für Gehäuse der Unterhaltungselektronik beispielsweise verkürzt die Klebstoffsprühtechnologie die Zeit für die Herstellung eines Rohlings von 7 Tagen auf 2 Tage und senkt die Kosten für jeden Artikel um 60 %.
3. Wie gut es funktioniert: Eine gute Mischung aus Genauigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
Maßgenauigkeit: Die Maßgenauigkeit des 3D-Drucks aus 316L-Edelstahl kann nur ± 0,05 mm betragen (für Größen zwischen 100 mm und 100 mm), und die Oberflächenrauheit Ra beträgt < 3,2 μm. Durch die Verbesserung des Designs der Stützstruktur und der Druckeinstellungen ist es möglich, präzise Formen komplexer Hohlräume herzustellen. Beispielsweise haben SLM-gedruckte Zahnkronenformen aus Titanlegierung, die zur Herstellung medizinischer Implantatformen verwendet werden, eine Genauigkeit von ± 0,02 mm, was für klinische Implantate erforderlich ist.
Physikalische Eigenschaften: Nach dem Erhitzen können gedruckte Teile aus Edelstahl 316L einer Zugfestigkeit von 650 MPa, einer Streckgrenze von 480 MPa und einer Dehnungsrate von 30 % standhalten. Die winzige gleichachsige Kornstruktur, die beim 3D-Druck entsteht, macht es 15 % widerstandsfähiger gegen Ermüdung als andere Schmiedematerialien. Nach der kryogenen Behandlung stieg die Ermüdungslebensdauer von DMLS-gedruckten Formen, die für die Halbleiterverpackung verwendet werden, von 50.000 Zyklen auf 120.000 Zyklen.
Gedruckte Teile aus 316L-Edelstahl halten Korrosion besser stand als typische Gussmaterialien. In einer 3,5 %igen NaCl-Lösung erreicht das Lochfraßpotential von 316L-Edelstahlteilen +320 mV (SCE), was 80 mV höher ist als bei herkömmlichen Gussmaterialien. Der gleichmäßige und dichte Oxidfilm, der sich während des Druckvorgangs bildet, verleiht ihm einen Vorteil in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit.. 316L-Edelstahl hält starken korrosiven Gasen stand, die beim Zerfall von Fluorkunststoffen über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden. Die Formlebensdauer ist achtmal länger als die von DC53-Formstahl.
4. Verwendung im Geschäftsleben: Von der Herstellung von Prototypen bis zur Herstellung vieler davon
Bereich Luft- und Raumfahrt: Für die Herstellung eines bestimmten Typs von Schmiedegesenken für Turbinenscheiben von Triebwerken wurden mithilfe der SLM-Technologie Formen aus 316L-Edelstahl gedruckt, die 1,2 Tonnen leichter und 680 kg schwerer waren und gleichzeitig 25 % steifer waren. Die Größenänderung des Formhohlraums beträgt nach 5000 thermischen Testzyklen weniger als 0,02 mm, was den Präzisionsstandards der Luftfahrt entspricht.
Industrie für Fahrzeuge mit neuer Energie: Die DMLS-Technologie druckt Formen, die konforme Kühlwasserrohre und Gitterstützstrukturen kombinieren. Dadurch wird die Temperatur der Form um 40 % gleichmäßiger und die Verformung im Ergebnis verringert sich von 0,5 % auf 0,15 %. Die Form wird in großem Umfang mit einer Jahresproduktion von 100.000 Sätzen eingesetzt.
Im Bereich medizinischer Geräte: Die Kombination aus Klebstoffspritztechnologie und CNC-Präzisionsbearbeitung ermöglicht einen schnellen Wechsel der Hüftpfannenformen aus Titanlegierung, die zur Herstellung orthopädischer Implantatformen verwendet werden. Die Zeit vom Entwurf bis zum fertigen Produkt wurde von 45 Tagen auf 7 Tage verkürzt, was die Kosten pro Einheit um 70 % senkte.