Warum eignet sich die Optimierung des Formkühlsystems für den Metall-3D-Druck?

一, Das Designproblem bei Standardkühlsystemen: Übergang vom „geraden Bohren“ zum „thermischen Ungleichgewicht“.
Die klassische Art der Formkühlung nutzt die Kreuzbohrtechnik von Werkzeugmaschinen und der Kühlwasserkreislauf ist meist eine gerade oder unterbrochene Linie. Dieses Design weist drei Hauptprobleme auf:
Der gerade Kanal passt nicht in die komplexe gekrümmte Oberfläche des Formhohlraums, wodurch die Kühlstrecken ungleichmäßig sind. Wenn beispielsweise eine Form für eine Autostoßstange einen typischen Kanal verwendet, übersteigt der Temperaturunterschied an der Oberfläche des Kerns 45 Grad, die lokale Abkühlzeit verlängert sich um 30 % und die Produktverzugsrate beträgt bis zu 8 %.
Konzentration thermischer Spannungen: Der Formkern kühlt ungleichmäßig ab, was zu Temperaturunterschieden führt, die zu thermischen Ermüdungsrissen führen. Nach 2000 aufeinanderfolgenden Herstellungsprozessen brach bei einer bestimmten Druckgussform der Kern, weil er an einer Stelle zu heiß wurde. Die Wartungskosten betrugen 35 % des Gesamtpreises der Form.
Viel verschwendetes Material: Beim traditionellen Handwerk muss Platz für die Verarbeitung von Wasserläufen reserviert werden und Formen müssen separat hergestellt werden, bevor sie zusammengesetzt werden können. Wenn eine bestimmte Form für eine Flugzeugtriebwerksschaufel traditionelle Technologie verwendet, steigt die Materialschnittrate auf bis zu 72 %. Bei Montagefehlern steigt die Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung des Kühlwasserkreislaufs um 20 %.
2, Die Metall-3D-Drucktechnologie hat einen großen Schritt nach vorne gemacht: Von „Passiver Anpassung“ zu „Aktivem Design“
Schichtweise Schmelz- und Stapelprozesse im Metall-3D-Druck verändern die Art und Weise, wie herkömmliche Kühlsysteme konstruiert werden, völlig. Seine Hauptvorteile zeigen sich wie folgt:
1. Ein flexibler Kühlwasserkreislauf, mit dem Sie das Temperaturfeld sehr genau einstellen können
Durch den 3D-Metalldruck kann ein konformer Kühlwasserkreislauf erstellt werden, der perfekt zur Form des Formhohlraums passt. Der konische spiralförmige konforme Kanal, den Bastech für die industrielle Montage gebaut hat, wurde mit der Cimatron-Software verbessert. Die Oberfläche der Wasserstraße wurde von 24,2 Quadratzoll auf 52,2 Quadratzoll vergrößert und die Kühleffizienz um 116 % gesteigert. Tatsächliche Testergebnisse zeigen, dass die Abkühlzeit der Form von 10,5 Sekunden auf 7,5 Sekunden gesunken ist, die Zykluszeit um 14 % gesunken ist und die Ausschussrate für das Produkt von 5,2 % auf 0,8 % gesunken ist.
2. Topologieoptimierungsstruktur: Lösung des Konflikts zwischen „Materialstärke“
Um sicherzustellen, dass sie stabil sind, benötigen herkömmliche Formen solide Strukturen. Mit dem Metall-3D-Druck hingegen können mithilfe der Topologieoptimierung leichte Innenstrukturen hergestellt werden. Beispielsweise verfügt eine neue Form für einen Batteriekasten eines Elektrofahrzeugs über eine Gitterstruktur, die das Gewicht bei gleichbleibender Festigkeit um 42 % senkt. Außerdem wird dadurch 60 % mehr Platz für den Kühlwasserkreislauf geschaffen und der Spritzgießzyklus um 25 % verkürzt.
3. Multi-Material-Verbunddruck: Ermöglichung einer „funktionalen Gradientenkühlung“.
Fortschrittliche 3D-Druckmaschinen für Metall können verschiedene Materialien in einem Gradienten auftragen. Beispielsweise verwendet eine Form für eine Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerks eine Verbundstruktur aus „Oberfläche aus Kupferlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Kern aus Titanlegierung mit hoher Festigkeit“. Dadurch wird die Oberflächentemperatur der Form um 30 % gleichmäßiger und sie hält 2,3-mal länger als herkömmliche Verfahren.
3, Kosten-Nutzen-Analyse: vom „hohen Stückpreis“ zum „Vorteil über den gesamten Lebenszyklus“
Auch wenn Geräte und Materialien für den 3D-Druck aus Metall teuer sind, ist der Kostenvorteil über den gesamten Lebenszyklus beträchtlich, wenn Sie eine kleine Anzahl von Artikeln mit hoher -Wertschöpfung-herstellen müssen:
1. Materialkosten: von „70 % Abfall“ bis „95 % Nutzung“
Für die Herstellung einer Form werden in der Regel 60 bis 75 % des Materials benötigt, während beim 3D-Metalldruck mehr als 95 % des Materials verbraucht werden. Beispielsweise werden für die Herstellung einer Form für ein medizinisches Implantat mit herkömmlichen Methoden 12 kg Titanlegierungsrohlinge benötigt, während beim 3D-Druck nur 1,8 kg Pulver benötigt werden, was 85 % Materialeinsparung bedeutet.
2. Verarbeitungskosten: von der „Zusammenarbeit mehrerer Prozesse“ bis zur „Integration einzelner Geräte“.
Die Herstellung einer herkömmlichen Form erfordert 12 Schritte, wie z. B. CNC-Fräsen, Funkenerosion und Drahtschneiden. Der gesamte Vorgang kann bis zu 4–6 Wochen dauern. Eine einzelne Maschine kann Metall direkt in 3D drucken und mit ein wenig Präzisionsbearbeitung eine Oberflächenrauheit von Ra0,8 μm erreichen. Echte Tests von Bastech zeigen, dass 3D-gedruckte Formen 80 % weniger Zeit zum Programmieren und Herstellen benötigen als herkömmliche Methoden und die Kosten für die Bearbeitung eines einzelnen Stücks um 40 % niedriger sind.
3. Versteckte Kosten: Vom „Design-Kompromiss“ zur „Rapid Iteration“
Es kostet viel, eine herkömmliche Form zu öffnen, und wenn Sie das Design ändern möchten, müssen Sie eine neue anfertigen, die 30 bis 50 % der ursprünglichen Kosten kostet. Der Metall-3D-Druck macht es einfach, Computermodelle schnell in tatsächliche Formen umzuwandeln. Durch den 3D-Druck konnte ein Unterhaltungselektronikunternehmen die Zeit, die für Änderungen an einem Produkt benötigt wird, von drei Monaten auf zwei Wochen verkürzen. Dadurch können sie Marktchancen nutzen und gleichzeitig 6 Millionen Yuan an Trial-and-Error-Ausgaben einsparen.
4. Industrieller ökologischer Wiederaufbau: Übergang von der „technologischen Substitution“ zur „Paradigmenaktualisierung“
Der Metall-3D-Druck verändert die Formenindustrie, indem er die Integration von „Design Manufacturing Service“ vereint:
Zusammenarbeit im Software-Ökosystem: Cimatron, Moldex3D und andere Tools ermöglichen die vollständige Digitalisierung des Prozesses „Kühlsimulation, Designoptimierung, Druckpfadgenerierung“. B&J Specialty hat beispielsweise durch Moldex3D-Modellierung herausgefunden, dass Standardformen einen Temperaturbereich von 132 Grad haben, 3D--gedruckte konforme Kanäle den Temperaturbereich jedoch auf 18 Grad beschränken.
3D Systems, Platinum Technology und andere Unternehmen haben spezielle Pulver wie martensitischen Alterungsstahl und 18Ni300-Formstahl hergestellt. Diese neuen Materialien haben eine um 20 % höhere Wärmeleitfähigkeit und eine dreifach höhere Ermüdungsbeständigkeit als herkömmliche Materialien.
Upgrade des Servicemodells: Anstatt „Hardware“ zu verkaufen, verkaufen Gerätehersteller jetzt „Lösungsoutput“. Bolite hat damit begonnen, eine Lösung anzubieten, die „Geräte-, Material- und Prozessdatenbank“ kombiniert. Der Preis für das eigene Titanlegierungspulver ist seit 2020 um 50 % gesunken, und die Internet-of-Things-Plattform ermöglicht die Warnung vor Geräteausfällen, wodurch der Anteil des Serviceumsatzes auf 30 % gestiegen ist.