In che modo la stampa 3D in metallo può aiutare a produrre stampi di precisione?

1. Libertà di progettazione: superare i limiti geometrici della produzione tradizionale
Aggiungendo strati invece di toglierli, la stampa 3D in metallo cambia totalmente la logica della “lavorazione sottrattiva” nella tradizionale costruzione di stampi. Questa caratteristica tecnologica consente ai progettisti di stampi di superare i limiti dei metodi tradizionali su strutture complesse e rendere possibili i seguenti nuovi usi:
Progettazione di un canale d'acqua che si adatti alla forma dell'oggetto
Fori diritti o canali dell'acqua curvi sono comuni nei tradizionali sistemi di raffreddamento degli stampi. Questi sono difficili da abbinare alle forme complicate del prodotto, il che porta a un raffreddamento non uniforme e alla deformazione del prodotto. La stampa 3D in metallo può creare immediatamente una rete di canali di flusso 3D che aderisce molto bene alla superficie del prodotto. Ciò rende il raffreddamento più efficiente di oltre il 40%. Ad esempio, un'azienda di veicoli che produce nuove energie utilizza stampi per pressofusione in conchiglia di pacchi batteria stampati in 3D-e ottimizza la progettazione di canali d'acqua conformi per abbreviare il ciclo di stampaggio a iniezione da 120 secondi a 75 secondi, aumentare il tasso di resa del prodotto dall'85% al ​​99,5% e prolungare la durata dello stampo fino a oltre 100.000 volte, ovvero tre volte di più rispetto ai metodi tradizionali.
Mettere in atto una struttura leggera
La stampa 3D in metallo può ridurre il peso dal 30% al 50% pur realizzando stampi resistenti utilizzando progetti biomimetici come strutture reticolari e reticoli cavi. Uno stampo specifico per il disco della turbina di un motore aeronautico utilizza una struttura reticolare in lega di titanio che riduce il peso del 42% mantenendo la capacità di resistere alle alte temperature. Ciò riduce notevolmente i costi di trasporto e trasformazione dell’energia.
Stampaggio integrato di pezzi con molteplici funzioni
Negli stampi tradizionali, parti come ugelli caldi e mesoni isolanti devono essere assemblati in più fasi, il che può facilmente portare a errori. La stampa 3D in metallo può stampare l’intera struttura dell’ugello caldo in una volta sola, eliminando gli spazi tra le sezioni e rendendola più stabile alle alte temperature. Una certa azienda ha utilizzato la stampa 3D per realizzare mesoni isolanti a reticolo esagonale cavo. Ciò ha ridotto il consumo energetico del sistema a canali caldi del 25% e la deformazione termica dello stampo del 60%.
2. Integrazione delle funzioni: dalla singola formatura all'ottimizzazione dell'intero processo
La stampa 3D in metallo non cambia solo il design dei corpi degli stampi, ma incoraggia anche l’intero processo di produzione degli stampi a proporre nuove idee attraverso l’integrazione funzionale:
Stampaggio con più materiali
Con la tecnologia di rivestimento laser è possibile combinare in un unico stampo materiali diversi, come metallo-ceramica e metallo-plastica. Una certa azienda ha realizzato uno "stampo composito metallo-ceramica" stampando in 3D uno strato ceramico ad alta-durezza su un substrato metallico ad alta-tenacità. Ciò rende lo stampo tre volte più resistente all'usura e ne prolunga la durata fino a oltre 150.000 volte, il che è perfetto per realizzare componenti strutturali di precisione nell'elettronica di consumo che devono essere realizzati rapidamente.
Un sofisticato sistema di sensori integrato
Con la stampa 3D è possibile inserire immediatamente sensori di temperatura e pressione nello stampo, creando così un sistema di monitoraggio “gemello digitale”. Lo stampo di un paraurti per auto è dotato di-sensori a reticolo in fibra ottica integrati che tengono d'occhio la distribuzione del campo di temperatura nella cavità dello stampo in tempo reale. Utilizza inoltre algoritmi AI per modificare al volo i parametri di raffreddamento, mantenendo la dimensione del prodotto precisa entro ± 0,02 mm e lo stampo dura per oltre 200.000 utilizzi.
Riparazione e rigenerazione rapide: la tecnologia Direct Energy Deposition (DED) può riparare gli stampi usurati in un unico posto, ripristinando la precisione originale delle dimensioni. Un'azienda aeronautica utilizza la tecnologia di rivestimento laser per fissare gli stampi per pressofusione in lega di alluminio-. Lo strato di riparazione aderisce al substrato con una forza di 450 MPa e il costo della riparazione ammonta solo al 30% del costo di realizzazione di nuovi stampi. La riparazione durerà per oltre il 90% della sua vita originale.
3. Da "utilizzabile" a "elevate-prestazioni", le prestazioni dei materiali sono migliorate.
La cosa principale che influenza la durata di uno stampo è il funzionamento del materiale. La stampa 3D in metallo migliora notevolmente la qualità dei materiali degli stampi utilizzando le seguenti tecnologie:
Creazione di un sistema di materiali specializzati
In risposta alle esigenze delle condizioni operative degli stampi, le aziende in Cina e in tutto il mondo hanno iniziato a produrre una serie di materiali in polvere specifici:
Acciaio per stampi ESU-H13: migliorando la distribuzione dei carburi, la longevità degli stampi per pressofusione-è passata da 30.000 volte nelle tecniche standard a 60.000 volte. È stato utilizzato per realizzare le cornici dei telefoni cellulari della serie Huawei Mate.
Acciaio ad altissima resistenza CX: ha una resistenza alla trazione di 1700 MPa e viene utilizzato per realizzare stampi per i corpi dei cilindri dei motori automobilistici Bosch. Questi stampi durano più di 80.000 cicli, ovvero il 40% in più rispetto al tipico acciaio S136.
Lega di alluminio Al250C: dura oltre 5000 ore a 250 gradi ed è 50 volte migliore della lega di alluminio Scalmalloy. Viene spesso utilizzato nei componenti strutturali aerospaziali.
Nuove idee per il processo di trattamento termico
Realizza un metodo di trattamento termico specifico che funzioni con il modo in cui la stampa 3D unisce gli strati:
Tempra graduale e trattamento criogenico: lo stampo in acciaio martensitico 1.2709 è molto duro, con una durezza di 52HRC e una resistenza all'urto CVN di 10J. Ciò lo rende abbastanza forte da gestire l’enorme stress di cui avranno bisogno i futuri veicoli energetici.
Pressatura isostatica a caldo (HIP): la lavorazione a 1200 gradi/150 MPa elimina i pori interni negli stampi stampati in 3D. Ciò fa sì che durino il 200% in più e raggiungano il 95% della vita delle tipiche tecniche di forgiatura.
Combinazione della tecnologia di rinforzo della superficie
La pallinatura supersonica genera uno strato di stress di compressione spesso 300 μm sulla superficie dello stampo. Ciò fa sì che uno specifico stampo di forgiatura duri da 20.000 a 50.000 cicli in più.
Deposizione chimica da fase vapore (CVD): questo processo aggiunge un rivestimento diamantato spesso 0,05 mm alla superficie della cavità dello stampo per renderlo 10 volte più resistente all'usura. Viene utilizzato per realizzare stampi per l'imballaggio di semiconduttori.
4. Usi nel mondo degli affari e tendenze per il futuro
Nei settori automobilistico, aeronautico ed elettronico, la tecnologia di stampa 3D in metallo è molto utilizzata.
Nel settore automobilistico, Broadcom Precision ha prodotto uno stampo per pressofusione integrato stampato in 3D-per Tesla che ha ridotto il numero di pezzi del pianale posteriore da 171 a 1, ha reso la produzione più efficiente del 40% e ha dato allo stampo una durata di vita di 150.000 volte.
Relativity Space realizza stampi per ugelli in lega di rame stampati in 3D nel settore aeronautico utilizzando l'attrezzatura EOS M400. Questi stampi utilizzano la tecnologia laser verde per risolvere il problema dei materiali in rame che sono troppo riflettenti. La durata della vita soddisfa il criterio del progetto SpaceX Starship di produrre un'unità ogni settimana.
Xiaomi Technology ha collaborato con Yisu Laser per realizzare stampi pressofusione-per cornici di telefoni cellulari in materiale ESU-H13. Questi stampi durano 120.000 cicli e possono supportare la spedizione di oltre 50 milioni di unità della serie Xiaomi 14 all'anno.
In futuro, la stampa 3D in metallo cambierà in questi modi:
Integrazione di più materiali e processi: utilizzo combinato della tecnologia binder jetting (BJ) e di fusione a letto di polvere (PBF) per realizzare stampi di grandi dimensioni in modo rapido ed economico.
Progettazione intelligente basata sull'AI-: gli algoritmi di progettazione generativa ottimizzano automaticamente la struttura dello stampo, il che significa che viene utilizzato più del 90% del materiale.
Costruire un sistema di produzione ecologico: l'utilizzo di materiali in polvere riciclabili e un sistema di produzione-a ciclo chiuso, che riduce le emissioni di carbonio del 50% durante tutto il processo di produzione, è in linea con le esigenze di un'economia circolare.