La durezza degli stampi per stampa 3D in metallo può soddisfare i requisiti per una produzione ad alta-resistenza?

1. Scelta del materiale giusto: supporto inferiore in polvere metallica ad elevata tenacità
Il materiale stesso determina la durezza degli stampi per stampa 3D in metallo. Acciaio per utensili, acciaio inossidabile, leghe dure e leghe speciali sono attualmente i materiali più comuni per gli stampi per stampa 3D. Hanno un intervallo di durezza compreso tra HRC 20 e 70, il che significa che possono essere utilizzati in una varietà di situazioni.
L'acciaio per utensili, come H13 e A2, ha una durezza di HRC 40–60 dopo il trattamento termico. È robusto e resistente all'usura, il che lo rende adatto a situazioni di stress elevato-come stampi per pressofusione-e stampi per forgiatura a caldo. Ad esempio, un’azienda che produce componenti per automobili utilizza stampi in acciaio H13 stampati in 3D che sono duri HRC 52 dopo il trattamento termico. Questi stampi funzionano altrettanto bene dei tradizionali stampi per forgiatura e durano tre volte di più.
L'acciaio inossidabile 316L ha una durezza di circa 20–30 HRC, ma regolando le impostazioni di stampa e la post-elaborazione, la sua durezza può essere aumentata fino a oltre 40 HRC pur essendo molto resistente alla corrosione. Ciò lo rende ideale per aree in cui l'igiene è molto importante, come l'imballaggio alimentare e i dispositivi medici.
Lega dura: WC Co (carburo di tungsteno cobalto) è un materiale tipico per situazioni di usura estreme come matrici per punzonatura e trafilatura. Ha una durezza fino a 55–70 HRC ed è oltre 10 volte più resistente all'usura-dell'acciaio per utensili. Una certa azienda che produce parti elettriche utilizza stampi in lega resistente stampati in 3D- per raddoppiare la frequenza di punzonatura, da 500.000 a 2 milioni di volte.
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% a 650 gradi), motivo per cui sono molto utilizzati negli stampi per i dischi delle turbine dei motori aeronautici.
2. Ottimizzazione del processo: controllo preciso dalla "stampa" alla "formatura"
La durezza del metallo Non solo il materiale ma anche l'esatta gestione dei parametri di processo sono importanti per la stampa 3D. Ad esempio, la tecnologia di fusione laser selettiva (SLM) aumenta la durezza ottimizzando i seguenti parametri importanti:
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%) e quando è alto potrebbe rompersi. Uno studio dimostra che quando si stampa l'acciaio inossidabile 316L con una potenza laser di 150 W e una velocità di scansione di 800 mm/s, la porosità rimane inferiore allo 0,3% e la durezza raggiunge HRC 38, che è quasi uguale a quella della forgiatura.
Forza del legame tra gli strati: è possibile creare un forte legame metallurgico tra gli strati modificando le procedure di scansione (come scansione a scacchiera e scansione a isola) e lo spessore dello strato (20–50 μ m). Ad esempio, una certa azienda aeronautica stampa stampi per pale di turbina Ti6Al4V con uno spessore di strato di 30 μm e una forza di legame tra gli strati di 450 MPa, ovvero il 20% più forte rispetto ai metodi precedenti.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 gradi /s) può creare una struttura a grana fine-(come la martensite) che rende il materiale molto più duro. Utilizzando la tecnologia L-PBF, il team della City University di Hong Kong ha stampato una lega Al Mg Mn Sc Zr. Hanno utilizzato il meccanismo di rafforzamento nano twin per aumentare la resistenza allo snervamento a 656 MPa mantenendo la duttilità al 12%.
3. Tecnologia di post-elaborazione: l'ultimo passaggio per migliorare la durezza
La stampa 3D non è la fine; la tecnologia di post-lavorazione è la parte più importante per rendere gli stampi più resistenti.
Trattamento termico: modifica della struttura reticolare mediante ricottura, tempra o invecchiamento. Ad esempio, dopo essere stato invecchiato a 480 gradi, la durezza di uno stampo in acciaio martensitico 18Ni300 stampato in 3D è passato da HRC 38 a HRC 52. Ciò ha eliminato lo stress residuo e ha reso meno probabile la frantumazione.
Per rendere la superficie più dura, è possibile utilizzare la pallinatura, la nitrurazione o il rivestimento laser. Un certo produttore di stampi per pressofusione-ha utilizzato la pallinatura per stampare in 3D stampi in acciaio H13. Ciò ha reso la superficie più dura (da HRC 50 a HRC 58) e li ha resi più resistenti all'usura del 40%.
Pressatura isostatica a caldo (HIP): utilizzo di alta pressione (100–200 MPa) e alta temperatura (900–1200 gradi) per eliminare i pori interni e ottenere una densità del materiale vicina al 100%. Lo stampo Inconel 718 trattato con HIP è più duro del 30% e dura cinque volte di più rispetto allo stampo non trattato.
4. Uso industriale: test dal laboratorio alla linea di produzione
Il vantaggio in termini di durezza degli stampi per stampa 3D in metallo è stato confermato in diverse aree:
GE Aviation utilizza stampi per ugelli di carburante Inconel 718 stampati in 3D- con una durezza di 45 HRC. Questi stampi sono più leggeri del 15% rispetto alle fusioni standard e possono sopportare temperature e pressioni elevate.
Produzione di automobili: il BMW Group produce blocchi cilindri motore in lega di alluminio utilizzando stampi in acciaio e strumenti di stampa 3D. La durezza dello stampo è HRC 50 e dura più di 100.000 volte, il che riduce il costo di ciascun pezzo del 40%.
Johnson & Johnson utilizza stampi per impianti ortopedici in lega di cobalto-cromo stampati in 3D con durezza HRC 60 e Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.