Каковы применения лазерной плавки порошкового слоя (LPBF) при производстве пресс-форм?

1. Технический принцип: взаимодействие микроконтроля и макроформирования.
Основная часть технологии LPBF — это возможность очень точно манипулировать слоем металлического порошка. В технологическом процессе есть три этапа:
Распределение порошка: Скребок равномерно распределяет металлический порошок по формовочной платформе, образуя слой порошка толщиной 20–100 мкм. Плотность порошка напрямую зависит от размера частиц. Например, метод плазменного вращающегося электрода (PREP) позволяет получить порошок Ti-6Al-4V, который имеет небольшое количество мелкого порошка и хорошо течет. Плотность порошка может достигать 55–60%, что намного лучше, чем при газовом распылении (ГА).
Лазерный луч высокой-энергии (100–1000 Вт) сканирует слой порошка по заданному пути, мгновенно повышая локальную температуру выше точки плавления. Это создает расплавленную ванну, которая быстро затвердевает. Вы можете изменять мощность лазера (135–500 Вт), скорость сканирования (900–2000 мм/с) и толщину слоя (30–50 мкм), чтобы получить нужный размер ванны расплава (ширина 50–150 мкм, глубина 10–50 мкм) и скорость охлаждения (10 ⁴–10 ⁶ К/с). Это улучшит микроструктуру.
Укладка слой за слоем. Повторяйте цикл распределения и плавления порошка снова и снова, пока не получите трехмерную-твердую деталь. Для этой процедуры не нужны формы или режущие инструменты, и она позволяет создать «свободный дизайн». Это особенно хорошо для конструкций, с которыми сложно работать стандартными методами, таких как глубокие пустоты, неправильные формы и тонкие стены.
2. Основное преимущество: Преодоление четырех основных проблем при изготовлении форм старомодным-способом.
Комплексное формирование сложных конструкций
LPBF может изготавливать детали форм, которые необходимо обработать, и собирать их отдельно, используя традиционные методы. Например, один шинный бизнес использовал технологию LPBF для изготовления блоков шаблонов резиновых форм. Это сократило типичный процесс, который занимал 12 этапов и 45 дней, до 12 дней на одну деталь и удвоило эффективность одновременного изготовления множества деталей. Срок службы пресс-формы увеличился в 200 000 раз, а погрешность сборки сократилась с 0,1 мм до 0,02 мм.
Совершенствование конформной системы охлаждения
LPBF может создать внутри формы контур охлаждающей воды, соответствующий форме изделия, используя оптимизацию топологии. После разработки конформного водяного контура для литьевой формы корпуса кондиционера в одной компании, производящей бытовую технику, эффективность охлаждения выросла на 42%, степень коробления продукта снизилась на 67%, а один комплект форм позволил сэкономить более 120 000 юаней на затратах на электроэнергию каждый год.
Легкая и функциональная интеграция
LPBF помогает облегчить конструкцию, включая заполнение решетки и конструкцию решетки. Компания LPBF изготовила кронштейн аккумуляторной батареи для одного автомобиля на новой энергии из алюминиевого сплава. Это делает его на 38% легче и выдерживает испытание на перегрузку 150%, что увеличивает дальность действия на 8%. Этот метод также позволяет комбинировать функциональные модули, такие как датчики и нагревательные элементы, для совместной работы «формового оборудования».
Быстрая итерация и производство, адаптированное к вашим потребностям
LPBF не требует подготовки пресс-формы, а для изменения конструкции достаточно изменить цифровую модель. Это сокращает время, необходимое для проведения исследований и разработок. Медицинская компания использовала LPBF для изготовления индивидуальных форм ортопедических имплантатов. Процедура заняла всего 72 часа от проектирования до доставки, что на 80% быстрее, чем предыдущие методы. Это также позволило проверить несколько решений одновременно.
3. Типичный пример использования: от высокотехнологичного-производства к массовому производству в аэрокосмической сфере.
LPBF успешно используется для изготовления форм для деталей, которые должны работать при высоких температурах и давлениях, таких как камеры сгорания двигателей и радиаторы турбин. Например, на заводе Fraunhofer IGCV в Германии используются демонстрационные детали ракетных двигателей, изготовленные LPBF-. Зона воздействия высоких-температур изготовлена ​​из медного сплава, чтобы сделать двигатель более энергоэффективным, несущая-часть изготовлена ​​из высоко-стали, чтобы сделать его более надежным, а внешние медные ребра выполняют как охлаждающую, так и поддерживающую функцию. Эти детали на 30% легче и на 25% надежнее традиционных двигателей.
автомобильный бизнес
LPBF значительно повышает эффективность производства при изготовлении основных форм, включая-формы для литья под давлением и литьевые формы, за счет оптимизации каналов охлаждающей воды и использования облегченных конструкций. Пресс-форма для литья под давлением-из магниевого сплава, изготовленная поставщиком автомобильных запчастей с использованием LPBF, выдерживает 200 000 циклов, что в три раза дольше, чем традиционные формы. Завод по производству форм для бамперов использует технологию высокоскоростного-напыления порошка, позволяющую ускорить процесс изготовления одного комплекта форм с 18 до 11 дней, что позволяет сэкономить 15 % затрат.
Здравоохранение и бытовая электроника
LPBF отлично подходит для изготовления небольших точных форм. Например, одна фабрика по производству пресс-форм для изделий 3C производит пресс-формы для корпусов мобильных телефонов с использованием технологии μ-LPBF (точность печати 2–5 мкм) с минимальным размером элемента 50 мкм и шероховатостью поверхности 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. Тенденция отрасли: объединение технологий и восстановление окружающей среды
Создание конструкций из нескольких материалов и градиентов.
LPBF может изготавливать формы из гетерогенных или градиентных материалов, управляя системой подачи порошка. Например, одна компания изготовила форму для материала с градиентом в направлении XY, в которой используется сплав на основе никеля-в зоне высоких-температур, чтобы сделать его жаростойким-, и сплав меди в зоне охлаждения, чтобы он лучше проводил тепло. Механические и термические свойства обеспечивают плавный переход, а эффективность на 50 % выше, чем у стандартных много-композитных форм.
Интеллектуальное улучшение процессов и управление ошибками
LPBF может прогнозировать остаточное напряжение и деформацию в режиме реального времени, используя как модели термомеханических соединений, так и методы машинного обучения. Например, конечно-элементная модель Autodesk моделирует поля температуры и напряжений, возникающие во время лазерного сканирования. Он сохраняет отклонения по радиальному и окружному растяжению турбинных лопаток из титанового сплава на уровне менее 5 % и продлевает их усталостную долговечность на 30 %.
Зеленое производство и циркулярная экономика
Коэффициент использования материала LPBF составляет 90%, что на 40 процентных пунктов выше, чем при стандартном субтрактивном производстве. Одна компания увеличила уровень переработки порошка до 85% и сократила стоимость одного комплекта материалов для форм на 20% за счет повторного использования нерасплавившегося порошка и его просеивания. LPBF также соответствует экологическим нормам производства, таким как «углеродный тариф» ЕС, поскольку он не выделяет смазочно-охлаждающую жидкость и потребляет очень мало энергии.