Može li tvrdoća metalnih kalupa za 3D štampanje ispuniti zahtjeve za proizvodnju visoke{1}}vrste?

1. Odabir pravog materijala: Donji nosač od metalnog praha visoke žilavosti
Sam materijal određuje koliko su tvrdi metalni kalupi za 3D štampanje. Alati čelik, nehrđajući čelik, tvrde legure i specijalne legure trenutno su najčešći materijali za kalupe za 3D štampu. Imaju raspon tvrdoće od HRC 20 do 70, što znači da se mogu koristiti u različitim situacijama.
Alati čelik, poput H13 i A2, nakon termičke obrade ima tvrdoću od HRC 40-60. Robustan je i otporan na habanje, što ga čini dobrim za situacije visokog-naprezanja kao što su kalupi za-lijevanje pod pritiskom i kalupi za vruće kovanje. Na primjer, kompanija koja proizvodi autodijelove koristi 3D štampane čelične kalupe H13 koji su tvrdi HRC 52 nakon termičke obrade. Ovi kalupi rade jednako dobro kao i tradicionalni kalupi za kovanje i traju tri puta duže.
Nerđajući čelik 316L ima tvrdoću od oko HRC 20–30, ali podešavanjem postavki štampanja i naknadnom obradom, njegova tvrdoća se može podići na preko HRC 40 dok je i dalje veoma otporan na koroziju. To ga čini dobrim za područja u kojima je higijena vrlo važna, poput pakovanja hrane i medicinskih uređaja.
Tvrda legura: WC Co (volfram karbid kobalt) je tipičan materijal za situacije ekstremnog habanja kao što su matrice za probijanje i izvlačenje. Ima tvrdoću do HRC 55–70 i više je od 10 puta otporniji na habanje-od alatnog čelika. Određena kompanija koja proizvodi električne dijelove koristi 3D-štampane kalupe od jakih legura da udvostruči frekvenciju probijanja, sa 500.000 puta na 2 miliona puta.
3D printing can make fine-grained structures in special alloys like Inconel 718 nickel-based alloy. These structures are 20% harder than those made by traditional casting. They also stay strong at high temperatures (strength retention rate>90% na 650 stepeni), zbog čega se dosta koriste u kalupima za turbinske diskove avionskih motora.
2. Optimizacija procesa: precizna kontrola od "štampanja" do "formiranja"
Tvrdoća metala Za 3D štampanje je važno ne samo materijal, već i precizno upravljanje parametrima procesa. Na primjer, tehnologija selektivnog laserskog topljenja (SLM) povećava tvrdoću optimiziranjem sljedećih važnih parametara:
Control of energy density: The quality of the molten pool is directly affected by the strength of the laser, the speed of the scan, and the size of the spot. When the energy density is low, the material may become more porous (15% less hard when>1%), a kada je visoka, može popucati. Studija pokazuje da pri štampanju nerđajućeg čelika 316L sa snagom lasera od 150W i brzinom skeniranja od 800mm/s, poroznost ostaje ispod 0,3%, a tvrdoća dostiže HRC 38, što je skoro isto kao i kod otkovaka.
Snaga međuslojne veze: Jaka metalurška veza između slojeva može se napraviti promjenom procedura skeniranja (kao što je skeniranje šahovnice i skeniranje otoka) i debljine sloja (20–50 μm). Na primjer, određeni zrakoplovni biznis štampa kalupe lopatica Ti6Al4V turbine sa debljinom sloja od 30 μm i međuslojnom čvrstoćom vezivanja od 450 MPa, što je 20% jače od prethodnih metoda.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 stepen /s) može stvoriti fino-zrnastu strukturu (poput martenzita) koja čini materijal mnogo tvrđim. Koristeći L-PBF tehnologiju, tim Gradskog univerziteta u Hong Kongu štampao je leguru Al Mg Mn Sc Zr. Koristili su nano twin mehanizam za jačanje kako bi podigli granicu tečenja na 656 MPa dok su zadržali duktilnost na 12%.
3. Tehnologija naknadne obrade: posljednji korak u poboljšanju tvrdoće
3D štampanje nije kraj; Tehnologija naknadne -tehnologije je najvažniji dio očvršćavanja kalupa.
Toplinska obrada: promjena strukture rešetke žarenjem, gašenjem ili starenjem. Na primjer, nakon odležavanja na 480 stepeni, tvrdoća 3D štampanog 18Ni300 martenzitnog čeličnog kalupa za starenje je porasla sa HRC 38 na HRC 52. Ovo je oslobodilo zaostalog naprezanja i smanjilo verovatnoću da će se razbiti.
Da biste površinu učinili tvrđom, možete upotrijebiti brizganje, nitriranje ili lasersko oblaganje. Određeni proizvođač kalupa za{1}}lijevanje pod pritiskom koristio je brizganje na 3D štampi H13 čeličnih kalupa. To je učinilo površinu tvrđom (od HRC 50 do HRC 58) i učinilo ih 40% otpornijim na habanje.
Vruće izostatičko presovanje (HIP): Korišćenje visokog pritiska (100–200 MPa) i visoke temperature (900–1200 stepeni) da bi se uklonile unutrašnje pore i dobila gustina materijala blizu 100%. Inconel 718 kalup koji je tretiran HIP-om je 30% tvrđi i traje pet puta duže od kalupa koji nije tretiran.
4. Upotreba u industriji: testiranje od laboratorije do proizvodne linije
Prednost metalnih kalupa za 3D štampanje u tvrdoći je potvrđena u nekoliko oblasti:
GE Aviation koristi 3D-štampane kalupe za mlaznice za gorivo Inconel 718 tvrdoće HRC 45. Ovi kalupi su 15% lakši od standardnih odljevaka i mogu podnijeti visoke temperature i pritiske.
Izrada automobila: BMW Grupa proizvodi blokove motora od aluminijumske legure koristeći čelične kalupe i alate za 3D štampanje. Tvrdoća kalupa je HRC 50, a traje više od 100.000 puta, što snižava cijenu svakog komada za 40%.
Johnson & Johnson koristi 3D-štampane ortopedske kalupe za implantate od legure kobalt hroma koji su tvrdi HRC 60 i Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.