Jaké jsou aplikace Laser Powder Bed Melting (LPBF) při výrobě forem?

1. Technický princip: interakce mezi mikrořízením a makro tvarováním
Hlavní součástí technologie LPBF je schopnost velmi přesně manipulovat s kovovým práškovým ložem. V toku procesu jsou tři kroky:
Nanášení prášku: Škrabka rovnoměrně rozprostírá kovový prášek po formovací platformě a vytváří vrstvu prášku o tloušťce 20–100 μm. Hustota prášku je přímo ovlivněna velikostí částic. Například metoda plazmové rotující elektrody (PREP) vyrábí prášek Ti-6Al-4V, který má malé množství jemného prášku a dobře teče. Hustota prášku může dosáhnout 55%–60%, což je mnohem lepší než postup plynové atomizace (GA).
Laserový paprsek s vysokou{0}}energií (100–1000 W) skenuje vrstvu prášku po zadané dráze a okamžitě zvyšuje místní teplotu nad bod tání. Vznikne tak roztavená kaluž, která rychle tuhne. Můžete změnit výkon laseru (135–500 W), rychlost skenování (900–2000 mm/s) a tloušťku vrstvy (30–50 μm), abyste získali správnou velikost lázně taveniny (50–150 μm široká, 10–50 μm hluboká) a rychlost chlazení (10 ⁴–10 ⁶ K/s). Tím se zlepší mikrostruktura.
Vrstva po vrstvě: Cyklus nanášení a tavení prášku opakujte znovu a znovu, dokud nezískáte trojrozměrný pevný díl. Tento postup nevyžaduje formy ani řezné nástroje a může vytvořit „volný design“. Je to zvláště dobré pro konstrukce, se kterými je obtížné pracovat pomocí standardních metod, jako jsou hluboké dutiny, nepravidelné tvary a tenké stěny.
2. Hlavní výhodou je: Překonání čtyř hlavních problémů při výrobě forem starým-módním způsobem
Integrované tváření složitých konstrukcí
LPBF může vyrábět části forem, které je třeba zpracovat a dát dohromady pomocí tradičních metod. Například jeden podnik v oblasti pneumatik používal technologii LPBF k výrobě bloků pryžových forem. Tím se zkrátil typický proces, který trval 12 kroků a 45 dní k dokončení, na 12 dní u jednoho kusu a zdvojnásobila se efektivita výroby mnoha dílů najednou. Životnost formy se zlepšila na 200 000krát a chyba montáže se snížila z 0,1 mm na 0,02 mm.
Zlepšení konformního chladicího systému
LPBF dokáže vytvořit okruh chladicí vody uvnitř formy, který odpovídá tvaru výrobku pomocí návrhu optimalizace topologie. Po navržení konformního vodního okruhu pro vstřikovací formu skořepiny klimatizace v určité společnosti zabývající se domácími spotřebiči se účinnost chlazení zvýšila o 42 %, míra deformace produktu klesla o 67 % a jedna sada forem ušetřila každý rok více než 120 000 juanů na nákladech na elektřinu.
Lehká a funkční integrace
LPBF pomáhá s lehkým designem, včetně mřížové výplně a mřížové konstrukce. LPBF vyrobil držák baterie pro určité nové energetické vozidlo z hliníkové slitiny. Díky tomu je o 38 % lehčí a projde testem přetížení o 150 %, což zvyšuje dojezd o 8 %. Tato technika může také kombinovat funkční moduly, jako jsou senzory a topné prvky, aby „zařízení forem“ spolupracovalo.
Rychlá iterace a výroba, která je přizpůsobena vašim potřebám
LPBF nevyžaduje přípravu formy a změna designu vyžaduje pouze změnu digitálního modelu. Tím se zkracuje čas potřebný k provedení výzkumu a vývoje. Lékařská společnost použila LPBF k výrobě forem ortopedických implantátů na zakázku. Procedura od návrhu po dodání trvala pouhých 72 hodin, což bylo o 80 % rychlejší než předchozí metody. To také umožnilo ověření několika řešení současně.
3. Běžným případem použití je: Od špičkové-výroby po hromadnou výrobu v oblasti letectví a kosmonautiky
LPBF se úspěšně používá k výrobě forem pro díly, které potřebují pracovat při vysokých teplotách a tlacích, jako jsou spalovací komory motorů a chladiče turbín. Například Fraunhofer IGCV v Německu používá předváděcí díly raketových motorů-vyrobené LPBF. Oblast vystavení vysokým-teplotám je vyrobena ze slitiny mědi, aby byl motor energeticky účinnější, nosná-část je vyrobena z vysoce-oceli, aby byl spolehlivější, a vnější měděná žebra slouží jak k chlazení, tak k podpůrným funkcím. Tyto díly jsou o 30 % lehčí a o 25 % spolehlivější než tradiční motory.
automobilový byznys
LPBF výrazně zvyšuje efektivitu výroby při výrobě základních forem, včetně forem-pro tlakové lití a vstřikovacích forem, optimalizací kanálů chladicí vody a použitím lehkých konstrukcí. Licí forma z hořčíkové slitiny-vyrobená dodavatelem automobilových dílů pomocí LPBF vydrží 200 000 cyklů, což je třikrát déle než tradiční formy. Továrna na výrobu forem na nárazníky používá vysokorychlostní-technologii nanášení prášku k urychlení procesu výroby jedné sady forem z 18 dnů na 11 dnů, což ušetří 15 % nákladů.
Zdravotnictví a spotřební elektronika
LPBF je skvělý pro výrobu malých přesných forem. Například jistá továrna na výrobu forem 3C vyrábí formy rámů mobilních telefonů pomocí technologie μ-LPBF (přesnost tisku 2–5 μm), s minimální velikostí prvku 50 μm a drsností povrchu Ra<0.8 μm, which meets optical grade standards. A dental company uses LPBF to make personalized invisible appliance molds, and by optimizing the design of the topology, it improves the uniformity of orthodontic force distribution by 40% and raises the patient adaptation rate from 85% to 98%.
4. Trend v oboru: Kombinace technologií a přestavby prostředí
Vytváření konstrukcí s více materiály a gradienty
LPBF může vyrábět formy z heterogenních nebo gradientních materiálů řízením systému dodávky prášku. Konkrétní společnost například vyrobila formu z materiálu s gradientem ve směru XY, která používá slitinu na bázi niklu-v zóně vysokých-teplot, aby byla odolná vůči teplu-, a slitinu mědi v zóně chlazení, aby lépe vedla teplo. Mechanické a tepelné vlastnosti zajišťují bezproblémový přechod a účinnost je o 50 % vyšší než u standardních více-vrstvých kompozitních forem.
Inteligentní zlepšování procesů a správa chyb
LPBF dokáže předpovídat zbytkové napětí a deformaci v reálném čase pomocí modelů tepelných mechanických vazeb a metod strojového učení. Například model konečných prvků Autodesku modeluje teplotní a napěťová pole, ke kterým dochází během laserového skenování. Udržuje rozdíly v radiálním a obvodovém tahu turbínových lopatek z titanové slitiny pod 5 % a prodlužuje jejich únavovou životnost o 30 %.
Zelená výroba a oběhové hospodářství
Materiál LPBF má míru využití 90 %, což je o 40 procentních bodů více než u standardní subtraktivní výroby. Jedna společnost zvýšila míru recyklace prášku na 85 % a snížila náklady na jednu sadu materiálů forem o 20 % opětovným použitím prášku, který se neroztavil, a jeho proséváním. LPBF také splňuje předpisy pro zelenou výrobu, jako je „uhlíkové tarify“ EU, protože neuvolňuje žádnou řeznou kapalinu a spotřebovává velmi málo energie.