La stampa 3D in metallo può ridurre il tasso di scarto nella produzione di stampi?

一, Il problema degli scarti nella produzione tradizionale di stampi: il doppio problema dello spreco di materiali e della perdita di efficienza
L'approccio della "lavorazione sottrattiva" viene utilizzato nella produzione di stampi tradizionale. Ciò significa che i materiali vengono rimossi lentamente attraverso una serie di passaggi, come tornitura, fresatura, piallatura e rettifica, fino al raggiungimento della forma desiderata. Ci sono tre problemi strutturali chiave con questo percorso di processo:
Basso tasso di utilizzo del materiale: ad esempio, quando si realizzano stampi per pressofusione-per testate di motori automobilistici, i metodi tipici richiedono la lavorazione dell'intero lingotto di acciaio in uno stampo, che può asportare fino al 70% del materiale. In base ai numeri di un'azienda, la loro officina stampi utilizza 1.200 tonnellate di acciaio all'anno. Di queste, 840 tonnellate vengono trasformate in rifiuti e solo 360 tonnellate vengono trasformate in oggetti utili.
Sono necessari dai 12 ai 15 passaggi per passare dalla preparazione delle materie prime alla consegna del prodotto finale. La realizzazione di un set di stampi potrebbe richiedere fino a 2 o 3 mesi. Il progetto di sviluppo dello stampo del pacco batteria per una particolare azienda di veicoli a nuova energia è stato posticipato di otto mesi poiché ha dovuto essere rifatto più volte. Ciò è costato all’azienda più di 20 milioni di yuan.
Limiti strutturali difficili: è difficile realizzare stampi con caratteristiche complicate come canali di raffreddamento conformi e strutture reticolari leggere utilizzando metodi tradizionali. Per realizzare stampi a blocchi, una certa azienda di pneumatici deve scomporre l'intero pneumatico in più di 20 sezioni e lavorare su ciascuna di esse in modo indipendente prima di assemblarle tutte. Ciò non solo aumenta il tasso di scarto, ma rende anche lo stampo meno preciso.
2, La svolta della stampa 3D in metallo: un cambio di paradigma da “sottrattivo” a “additivo”
La stampa 3D in metallo costruisce oggetti tri-dimensionali impilando polveri o fili metallici uno sopra l'altro, il che va completamente contro il modo in cui vengono solitamente fatte le cose. Mostra inoltre tre vantaggi principali per la gestione dei rifiuti:
1. Un grande salto nel tasso di utilizzo dei materiali: dal 30% al 90%
Quando si realizzano manualmente strutture complesse come cavità dello stampo e canali di raffreddamento, è necessario un notevole margine di lavorazione, il che porta a molto spreco di materiale. 3La tecnologia di stampa D guida direttamente la produzione utilizzando modelli CAD e utilizza tanto materiale quanto i pezzi stessi. Utilizzando la tecnologia SLM, una particolare azienda ha realizzato uno stampo per il guscio di una trasmissione elettrica in lega di alluminio che utilizza il 92% del materiale invece del 35% utilizzato dai metodi standard. Ciò consente di risparmiare 180 chilogrammi di materiale in lega di alluminio per ogni set di stampi.
Ancora più importante, la stampa 3D rende possibile la progettazione di “ottimizzazione della topologia”, che può utilizzare meno materiale pur essendo resistente. Una certa compagnia aeronautica ha utilizzato l'ottimizzazione della topologia per realizzare uno stampo per il supporto delle ali in lega di titanio che è più leggero del 30% e utilizza il 45% in meno di materiale pur mantenendo le stesse prestazioni.
2. La capacità di realizzare strutture complicate: eliminare la fonte fondamentale di rifiuti
Un caso d’uso comune della stampa 3D per ridurre gli sprechi è il canale di raffreddamento conformale, con cui è difficile lavorare con i metodi tradizionali. Costruendo canali di raffreddamento dendritici a spirale e biomimetici all'interno dello stampo che si adattano perfettamente alla forma del prodotto, l'efficienza di raffreddamento può essere aumentata di oltre tre volte. Una certa azienda ha realizzato uno stampo in pressofusione-per il vano batteria dei veicoli a nuova energia. Utilizza un circuito idrico conformale stampato in 3D, che riduce il ciclo di raffreddamento da 45 secondi a 18 secondi, aumenta il tasso di qualificazione del prodotto dal 92% al 99,5% e risparmia 12 tonnellate di rifiuti di acciaio riducendo il numero di stampi di prova.
La capacità di realizzare strutture reticolari stampate in 3D è importante anche nel campo del design leggero. Un'azienda specifica ha realizzato uno stampo ad iniezione per utensili elettrici. Realizzando una struttura reticolare esagonale cava nell'area che non sostiene peso, il peso dello stampo è stato ridotto del 25%, la quantità di materiale utilizzato è stata ridotta del 30% e il tempo necessario per raffreddarsi è stato ridotto del 15% poiché poteva trattenere meno calore.
3. Verifica rapida dell'iterazione: riduzione della quantità di rifiuti prodotti durante la produzione di prova
Per realizzare uno stampo tradizionale è necessario sottoporsi a diversi cicli di modifica della produzione di prova e ogni produzione di prova crea molti scarti. Un'azienda automobilistica stava lavorando su un nuovo stampo per il cruscotto di un nuovo modello di automobile, ma i primi tre cicli di stampi di prova hanno dovuto essere buttati via a causa di difetti di progettazione. Ciò ha creato 45 tonnellate di rifiuti. Il ciclo di "test di stampa del progetto" può avvenire rapidamente con la tecnologia di stampa 3D. Dopo che un'azienda ha iniziato a utilizzare questa tecnica, il ciclo di creazione dello stampo è passato da 6 mesi a 6 settimane, il numero di prove dello stampo è passato da 5 a 2 e il tasso di scarto è diminuito del 70%.
3, Progressi tecnologici e cooperazione tra industrie: accelerare lo sviluppo della gestione dei rifiuti di stampa 3D
La stampa 3D offre molte promesse per la gestione dei rifiuti, ma deve ancora superare tre grandi problemi prima di poter essere utilizzata su larga scala:
Innovazione dei materiali: è importante produrre materiali in polvere specializzati che siano economici e funzionino bene. Una certa azienda ha prodotto polvere di acciaio H13 rinforzata con nano carburo di tungsteno che ha reso lo stampo più duro (HRC 60) pur mantenendo la sua tenacità. Ciò ha ridotto i prezzi dei materiali del 40% rispetto ai prodotti importati.
Processi di standardizzazione: è molto importante impostare un'unica libreria di parametri di stampa e un sistema di controllo qualità. Un'azienda ha prodotto il programma di generazione automatizzata del supporto e-stage per Metal+, che può ridurre l'uso dei materiali di supporto del 35% e aumentare il tasso di recupero della polvere al 98%.
Collaborazione nella catena industriale: i produttori di apparecchiature, i fornitori di materiali e i produttori di stampi devono lavorare insieme per realizzare una soluzione completa che includa "hardware, materiali e servizi". Un'azienda ha rilasciato l'attrezzatura UM600MT, che ha una dimensione di formatura di 400 mm × 600 mm × 500 mm. Questa dimensione è abbastanza grande per stampare enormi stampi per automobili. Il database dei processi che lo supporta ha più di 200 proprietà dei materiali che vengono spesso utilizzate.