Kovová 3D tlač je najreprezentatívnejšia aditívna výrobná technológiaa jej inžinierska aplikácia pomáha zlepšiť digitálny a inteligentný dizajn a úroveň výroby zložitých presných foriem. Vzhľadom na spoločné priemyselné charakteristiky s priemyslom výroby foriem, kovová technológia 3D tlače sa stáva novou kľúčovou technológiou pre efektívnu a vysoko presnú výrobu foriem. Odvetvie foriem v mojej krajine využíva príležitosť na podporu inovatívneho vývoja technológie výroby foriem na 3D tlač s cieľom posilniť pokročilý základ priemyslu foriem a modernizáciu priemyselného reťazca a podporiť priemysel foriem od veľkých po silný.

1 Predslov

Aditívna výroba je technológia, ktorá využíva postupné hromadenie materiálov na výrobu pevných častí alebo produktov. Keďže technológia aditívnej výroby nevyžaduje zložité nástroje a formy a viaceré procesy spracovania na rýchlu výrobu obrobkov a výrobkov akéhokoľvek tvaru, za posledných 30 rokov dosiahla rýchly rozvoj v oblasti technologického výskumu a vývoja a priemyselných aplikácií a stala sa jednou z tri základné technológie spracovania materiálov, subtraktívna výroba (hlavne rezanie) a výroba rovnocenných materiálov (hlavne tvarovanie foriem). Aditívna výroba, najmä plne digitalizovaná technológia 3D tlače, dosahuje cieľ „troch znížení a jednej vysokej“ (zníženie počtu dielov, zníženie kvality, redukcia montáže a výroba vysoko zložitých dielov) prostredníctvom 3D tlačového návrhu dielov alebo celku. stroje a výroba 3D tlače.

2 Technológia 3D tlače sa stala hlavnou súčasťou technológie aditívnej výroby

Široká aplikácia technológie 3D tlače nielen podporila aplikáciu technológií spracovania s vysokou energetickou hustotou, ako je laser a elektrónový lúč, vo výrobnom priemysle, ale očakáva sa aj revolúcia v celom dizajne a výrobnom procese výrobného priemyslu. Ide o novovznikajúcu inteligentnú výrobnú metódu, a preto si získala veľkú pozornosť a pozornosť zo strany vlád a inžinierskych a technických kruhov. Technológie výroby digitálnych aditív, ktoré boli vyvinuté, sú uvedené v tabuľke 1.

Väčšina kľúčových procesov a technológií zariadení aditívnej výroby patrí do „technológie 3D tlače“. Pretože najlepšie odrážajú technické charakteristiky aditívnej výroby a smer digitalizácie a inteligencie, stali sa hlavným telom technológie aditívnej výroby. Medzi nimi technológia kovovej 3D tlače reprezentovaná technológiou fúzie kovového prášku a technológiou spekania predstavuje technologickú hranicu a úroveň priemyselnej aplikácie aditívnej výroby a je klenotom v korune technológie 3D tlače.

3 Kovová 3D tlač vytvorila relatívne kompletný priemyselný reťazec

V 1980. rokoch 3. storočia už 3D tlač vyvinula komerčnú technológiu, ale počiatočnými tlačovými materiálmi boli najmä nekovové materiály, takže 21D tlač sa používala najmä na výrobu nekovových materiálov, ako sú modely, remeselné výrobky, obaly a lekárske vybavenie. Po vstupe do 3. storočia sa technológia kovovej 3D tlače rýchlo rozvíjala a technológia prípravy kovového prášku sa stala čoraz zrelšou, čím sa rozsah inžinierskych aplikácií technológie 3D tlače stal od počiatočnej výroby prototypov, šperkov, zubného lekárstva a výroby obalov až po oblasť výroby. rýchlo vstúpiť do rôznych oblastí presného tvárnenia v priemysle výroby produktov a stať sa najkonkurencieschopnejšou výrobnou metódou pre špeciálne zložité diely a vysoko personalizované produkty. Medzi nimi zariadenia na 3D tlač a zodpovedajúci softvér na vytváranie vrstiev spoločností ako EOS v Nemecku a 3D System v Spojených štátoch kedysi viedli vývoj technológie 3D tlače. Zároveň prebieha výskum a vývoj, výroba a dodávky rôznych spotrebných materiálov používaných v 3D tlači, ako sú nekovové materiály (nylon, keramika atď.) a kovové materiály (nehrdzavejúca oceľ, nástrojová oceľ, žiaruvzdorné zliatiny, zliatiny hliníka, meď atď.) prášky postupne dosiahli industrializáciu a komercializáciu. V súčasnosti však existuje len málo druhov spotrebného materiálu na XNUMXD tlač z kovu a cena je pomerne vysoká. Navyše investície do tlačiarenských zariadení sú veľké a efektivita tlače je relatívne nízka. V súčasnosti sa rozsah inžinierskych aplikácií sústreďuje najmä na netrhové produktové oblasti, ako je letecký priemysel, umelé kĺby (vrátane zubov) a výroba špeciálnych nástrojov.

V technológii kovovej 3D tlače je technológia práškovej fúzie najčastejšie používanou technológiou v strojárstve. Jednou z jeho kľúčových technológií je tlačový zdroj tepla, ktorý vo všeobecnosti využíva laserový lúč alebo vysokoenergetický elektrónový lúč. Laserový zdroj tepla sa môže použiť na laserové plátovanie a selektívne laserové spekanie, zatiaľ čo vysokoenergetický elektrónový lúč sa používa hlavne na tavenie elektrónovým lúčom. V dôsledku rôznych režimov šírenia laserového a elektrónového lúča v priestore spracovania je pracovné prostredie oboch odlišné – laserová 3D tlač sa vykonáva vo vzduchu alebo inertnom plyne (napríklad dusík) a prostredie 3D tlače s elektrónovým lúčom. vyžaduje relatívne vysoký stupeň vákua, aby sa znížila strata energie spôsobená zrážkou elektrónového lúča s molekulami plynu pred dosiahnutím pracovného povrchu. V súčasnosti majú oba typy zariadení na 3D tlač na kovy zavedené systémy R&D dizajnu a výroby.

Ďalšou kľúčovou technológiou kovovej 3D tlače je príprava tlačových materiálov. Technológia tavenia práškového lôžka vyžaduje nepretržité a rovnomerné roztieranie kovového prášku. Preto sa vyžaduje, aby tvar prášku bol čo najviac sférický, čo prispieva k hladkému toku prášku. Rovnomernosť práškových častíc a zloženie musí zároveň spĺňať konštrukčné požiadavky materiálu. V súčasnosti je technológia prípravy kovových práškov, ako je nehrdzavejúca oceľ, vysokoteplotné zliatiny, zliatiny titánu, hliníka, medi atď. s nízkym obsahom uhlíka, pomerne vyspelá a odrody sú tiež bohaté. Prášky z nástrojovej ocele s vysokým obsahom uhlíka potrebujú kontrolovať spaľovanie uhlíka počas prípravy a použitia (tavenia), čo ovplyvňuje výkonnosť tlačených produktov. Preto v súčasnosti existuje menej druhov práškov z nástrojovej ocele a cena je tiež vysoká.

4 Technológia kovovej 3D tlače bola úspešne aplikovaná v oblasti výroby foriem

Formy sú dôležitým základným procesným zariadením v priemysle výroby produktov. Majú zložité štruktúry, vysokú presnosť výroby, náročné pracovné podmienky a vysoké požiadavky na spoľahlivosť a životnosť. V súčasnosti sa väčšina formovacích materiálov vyrába z kovových materiálov
(viac ako 90 %), z čoho 90 % tvoria oceľové materiály. Aby bolo možné vyrábať zložité formy efektívne a presne, priemysel foriem skúmal rôzne nové metódy spracovania a výrobné technológie. Avšak aj tak úroveň technológie spracovania v 20. storočí stále nedokáže uspokojiť dopyt po rýchlom zlepšení presnosti dizajnu foriem v dôsledku pokroku v technológii digitálneho dizajnu, čo vedie k mnohým pokročilým dizajnovým riešeniam, ktoré nemožno realizovať alebo prinútiť znížiť presnosť výroby. vďaka technológii spracovania. Napríklad chladiaci systém vstrekovacích foriem pre presné a zložité plastové výrobky je ťažké spracovať konformný kanál chladiacej vody navrhnutý CAE kvôli technológii spracovania rezania, čo vedie k veľkej lokálnej deformácii dielov.

Na začiatku 21. storočia, s prelomom kľúčových technológií, ako je laserová sila, bodové zaostrovanie a prášková oceľ na formy, bola realizovaná inžinierska aplikácia technológie kovovej 3D tlače pri výrobe konformných kanálov chladiacej vody pre vstrekovacie formy. znázornené na obrázku 5. Pre veľké a zložité vstrekované diely sú tvar prierezu a smer vodného kanála navrhnuté pomocou analýzy simulačného softvéru a konformná vložka vodného kanála je vyrobená technológiou 3D tlače a vložená do spracovanej základne formy rezaním. Kanály chladiacej vody oboch častí sú spojené hadicami mimo formy. Táto aditívna a subtraktívna technológia výroby kompozitov sa nielen vyhýba slabým stránkam technológie 3D tlače, ako je vysoká cena práškovej ocele a nízka účinnosť tlače, ale rieši aj problém neprimeraného lokálneho chladenia tradičných kanálov chladiacej vody; pre vstrekovacie formy malých presných konštrukčných dielov sú konformné kanály chladiacej vody optimalizované a navrhnuté pomocou softvéru CAD a CAE a forma je priamo vytlačená ako celok pomocou technológie kovovej 3D tlače. Tlačená vstrekovacia forma so sprievodnými vodnými kanálikmi. Okrem toho niektoré zložité formy alebo časti foriem, ako sú bloky behúňov gumových pneumatík, formy so vzorom podrážok atď., tiež založili výrobné linky na kovovú 3D tlač. V súčasnosti môže technológia kovovej 3D tlače kontrolovať komplexné náklady na takéto formy alebo časti foriem v rámci prijateľného rozsahu trhu.

Technológia 3D tlače s kovovým práškovým lôžkom okrem očividných výhod z hľadiska konštrukčnej zložitosti v podstate spĺňa aj požiadavky na presnosť rozmerov. Drsnosť voľného povrchu tiež v podstate spĺňa požiadavky, ale úroveň presnosti pracovnej plochy nevyhovuje konštrukčným požiadavkám a vyžaduje ďalšie opracovanie alebo leštenie.

5 Technológia 3D tlače kovov sa stáva dôležitou súčasťou inteligentného dizajnu foriem a technológie výroby

5.1 Dizajn a výroba foriem a kovová technológia 3D tlače majú spoločné priemyselné vlastnosti

Formovanie do foriem je presná a efektívna metóda spracovania dielov (produktov) a dizajn a výroba foriem majú typické „viacodrodové, malosériové“ (vo väčšine prípadov kusová výroba) charakteristiky. Technológia kovovej 3D tlače má nespornú výhodu pri plnení potrieb vysoko personalizovaných špičkových zákazníkov a má vysoký stupeň koordinácie s priemyselnými charakteristikami priemyslu výroby foriem, čím poskytuje nové technológie pre efektívne a vysoko presné spracovanie foriem. .

5.2 Technológia kovovej 3D tlače urýchľuje inovácie a vývoj riadený dopytom na trhu a podporuje technologické objavy v dizajne a výrobe chladiacich systémov foriem

Inšpirovaná spätnou väzbou a podporou strojárskych aplikácií, technológia kovovej 3D tlače neustále napreduje s pozitívnym a podnikavým duchom, aby splnila požiadavky technológie kovovej 3D tlače pre vysokokvalitný rozvoj užívateľských odvetví.

(1) Vyvinúť viac procesov 3D tlače kovov s cieľom zvýšiť efektivitu. Technológia 3D tlače z práškového tavného kovu má výhody pri kontrole presnosti tlačených produktov. Geometrická štruktúra spracovávaných dielov môže byť veľmi zložitá. Selektívne laserové tavenie (SLM) a priame laserové spekanie kovov (DMLS) sú typickými predstaviteľmi procesov 3D tlače z práškového tavného kovu. Tento proces sa však silne spolieha na veľkosť bodu zdroja tepla a kvalitu prípravy častíc prášku s nízkou účinnosťou tlače a vysokými nákladmi na tlač. Technológia priameho nanášania energie (pozri obrázok 8), ktorá bola postupne vyvinutá, zohľadňuje rozmerovú presnosť aj účinnosť tlače (účinnosť tvarovania môže dosiahnuť 2 až 10-násobok technológie práškového lôžka). Náklady na prípravu tlačových materiálov (filamenty, prášky) sú nízke, čo je vhodné na výrobu foriem s väčšími prierezmi a mierne nižšou konštrukčnou náročnosťou a opravy niektorých lokálne zlyhaných foriem.

Technológia 3D tlače Binder jet metal poskytuje nové príležitosti na výrobu niektorých foriem, ktoré vyžadujú rovnomerné odsávanie alebo vákuové tvarovanie.

(2) Optimalizujte proces prípravy práškovej ocele, aby ste znížili výrobné náklady na 3D tlač. Výkon a kvalita prášku sú kľúčovými faktormi tvaru a ovládateľnosti kovovej 3D tlače. Vďaka hĺbkovému pochopeniu fyzikálneho mechanizmu toho, ako proces kovovej 3D tlače ovplyvňuje kvalitu tlačených produktov, boli dosiahnuté nové výsledky vo výskume zloženia prášku, tvaru častíc, veľkosti častíc, stavu distribúcie častíc a pomeru rôznych typov tlače. procesy (pozri tabuľku 2) a na základe výsledkov výskumu boli vyvinuté rôzne technológie výroby prášku.

S cieľom pripraviť kovové prášky, ktoré spĺňajú vyššie uvedené referenčné normy, vyvinuli európske a americké spoločnosti metódy plynovej atomizácie, iónovej atomizácie a elektrolytického prášku. Pre proces tavenia práškového lôžka sa zvyčajne používajú vysokokvalitné a drahé kovové prášky. Tieto prášky sa zvyčajne pripravujú procesmi plynovej atomizácie alebo plazmovej atomizácie, ktoré tavia kov indukčným ohrevom alebo plazmovým horákom. Kvapalina roztaveného kovu sa vstrekuje do atomizačnej komory a vysokorýchlostným prúdom vzduchu sa rozbije na malé kvapôčky, ktoré počas padajúceho procesu postupne tuhnú. Výroba prášku na atomizáciu plynu je vysoko účinná a viac ako 80 % kovových práškov 3D tlače (vrátane práškov z formovacej ocele) sa vyrába touto metódou; sférickosť prášku pripraveného procesom plazmovej atomizácie je vyššia ako pri procese plynovej atomizácie; veľkosť častíc prášku pripraveného týmito dvoma procesmi je Gaussova distribúcia.

Okolo roku 2010 začali európske a americké krajiny vyrábať práškovú oceľ na 3D tlač (nehrdzavejúca oceľ S316, plastová formovacia oceľ P20 atď.), s veľkosťou častíc 20-40μm a cenou 200-250 amerických dolárov/kg. Používali tiež oceľový prášok na tlač a výrobu vložiek do vstrekovacích foriem, ako sú konformné vodné kanály. Okolo roku 2015 Čína úspešne vyvinula prášok z formovacej ocele na laserové opláštenie.

(3) Väčšia voľnosť pri navrhovaní chladiaceho systému foriem a zlepšená efektívnosť výroby foriem. Inžinierske využitie technológie kovovej 3D tlače výrazne zvýšilo slobodu pri navrhovaní chladiaceho systému formy bez obáv z vplyvu spracovateľnosti chladiaceho systému na presnosť výsledkov.

Ako príklad na analýzu si vezmite konformný dizajn kanála chladiacej vody vložky do formy plášťa kábla TPE (pozri tabuľku 3). Návrh 6 na obrázku 1 je štruktúra vodného kanála navrhnutá na základe tradičného procesu „vŕtania“ a ďalších päť návrhov sú štruktúry vodných kanálov navrhnuté na základe procesu kovovej 3D tlače. Týchto šesť vložiek do foriem bolo vytlačených pomocou nehrdzavejúcej ocele 316L a tepelne spracovaných na tvrdosť 54 HRC. Po skutočnom testovaní majú najlepší chladiaci výkon dizajn 5 (typ fontány), dizajn 1 (tenký typ U) a dizajn 4 (typ s hrubou špirálou). Skutočné predmety týchto troch vložiek formy sú znázornené na obrázku 1. Vstrekovacia forma využíva vyššie uvedené konformné chladiace vložky na skrátenie doby chladenia vstrekovaním z približne 30 s pri konštrukcii 6 na približne 6 s, čím sa zníži vstrekovací cyklus zo 60.5 s na 14.7s a skrátenie výrobného cyklu o 75%.

Okrem použitia technológie kovovej 3D tlače na priamu tlač foriem s konformnými vodnými kanálmi bola vyvinutá aj metóda na dokončenie výroby foriem s konformnými vodnými kanálikmi spolu s technológiou mechanického spracovania (pozri obrázok 2). Táto aditívna a subtraktívna technológia výroby kompozitov sa tiež nazýva „3D tlačové štepenie“. Táto metóda dokáže nielen splniť konštrukčné podmienky chladenia, ale aj zlepšiť efektivitu výroby foriem.

5.3 Technológia kovovej 3D tlače podporuje inteligentný dizajn a výrobu foriem

1) Inovatívny vývoj technológie kovovej 3D tlače podporil zlepšenie slobody spoločného navrhovania dielov (produktov) od vývoja produktov, dizajnu procesu tvarovania a dizajnu foriem. Môže tiež porovnať účinky kontroly tvaru a ovládateľnosti rôznych schém tvarovania vo virtuálnom priestore, aby sa dokončil návrh vysoko presných a vysoko účinných schém tvarovania foriem a inovoval sa celý proces navrhovania a výroby foriem.

2) Inžinierska aplikácia technológie kovovej 3D tlače pomáha zlepšiť digitalizáciu, sieťovanie a inteligentnú úroveň dizajnu a výroby zložitých presných foriem alebo častí foriem a stáva sa novou kľúčovou technológiou pre efektívnu a vysoko presnú výrobu foriem.

3) Od 13. päťročného plánu si moja krajina dlhé roky udržala svoju pozíciu najväčšieho svetového spotrebiteľa, výrobcu a vývozcu foriem, ale z hľadiska originálnych inovačných schopností technológie a konkurencieschopnosti priemyselného reťazca si priemysel foriem v mojej krajine je stále „veľký, ale nie silný“. Z hľadiska zlepšenia pokročilého základu priemyslu foriem a modernizácie priemyselného reťazca by sa mal priemysel výroby foriem v mojej krajine chopiť príležitosti technológie 3D tlače kovov, aby dosiahol revolučný prielom v inteligencii dizajnu a výroby foriem a usiloval sa o to, aby propagovať plesňový priemysel od veľkého po silný.

Záver 6

Na základe vyššie uvedenej analýzy sú predložené tieto návrhy: ① Aktívne vykonávať základný teoretický výskum technológie formovania kovovej 3D tlače, najmä výskum mechanizmu organizačného vývoja procesu 3D tlače bežne používaného prášku z formovacej ocele, a snažiť sa zachovať držať krok so svetom alebo ho viesť. ② Inovovať výskum a vývoj technológie výroby kovovej 3D tlače a technológie zariadení a vytvoriť štandardný systém pre technológiu formovania kovovej 3D tlače vrátane procesu, vybavenia, tlačových materiálov, spracovania po tlači a metód hodnotenia. ③ Podľa charakteristík spracovaných foriem alebo častí foriem a použitej technológie 3D tlače optimalizujte návrh formy a výrobný proces a urýchlite výstavbu aplikačnej platformy a dodávateľského reťazca technológie 3D tlače. Odhaduje sa, že do roku 2035 bude formovanie (kovovej) 3D tlače predstavovať 15 % až 20 % národnej výroby foriem (45 miliárd až 60 miliárd juanov).