Quali sono le applicazioni della fusione laser a letto di polvere (LPBF) nella produzione di stampi?

1. Principio tecnico: l'interazione tra microcontrollo e macro modellatura
L'aspetto principale della tecnologia LPBF è la capacità di manipolare il letto di polvere metallica in modo molto preciso. Ci sono tre fasi nel flusso del processo:
Diffusione della polvere: il raschietto distribuisce uniformemente la polvere metallica sulla piattaforma di formatura, creando uno strato di polvere spesso 20–100 μm. La densità della polvere è direttamente influenzata dalla dimensione delle particelle. Ad esempio, il metodo dell'elettrodo rotante al plasma (PREP) produce polvere di Ti-6Al-4V che ha una bassa quantità di polvere fine e scorre bene. La densità della polvere può raggiungere il 55%–60%, che è molto migliore rispetto alla procedura di atomizzazione del gas (GA).
Un raggio laser ad alta-energia (100-1000 W) scansiona lo strato di polvere lungo un percorso specificato, innalzando immediatamente la temperatura locale al di sopra del punto di fusione. Questo crea una pozza fusa che si solidifica rapidamente. È possibile modificare la potenza del laser (135–500 W), la velocità di scansione (900–2000 mm/s) e lo spessore dello strato (30–50 μm) per ottenere la dimensione giusta per il pool di fusione (50–150 μm di larghezza, 10–50 μm di profondità) e la velocità di raffreddamento (10 ⁴–10 ⁶ K/s). Ciò migliorerà la microstruttura.
Impilamento strato per strato: esegui ripetutamente il ciclo di diffusione e fusione della polvere finché non ottieni una parte solida tridimensionale. Questa procedura non necessita di stampi o strumenti da taglio e può creare "progettazione libera". È particolarmente utile per le strutture difficili da lavorare utilizzando metodi standard, come vuoti profondi, forme irregolari e pareti sottili.
2. Il vantaggio principale è: superare i quattro problemi principali nella realizzazione degli stampi alla vecchia maniera-
Formatura integrata di strutture complesse
LPBF è in grado di realizzare porzioni di stampo che necessitano di essere lavorate e assemblate separatamente con metodi tradizionali. Ad esempio, un'azienda di pneumatici ha utilizzato la tecnologia LPBF per realizzare blocchi di modelli di stampi in gomma. Ciò ha ridotto il processo tipico, che richiedeva 12 passaggi e 45 giorni per essere completato, a 12 giorni per un pezzo e ha raddoppiato l’efficienza della realizzazione di più parti contemporaneamente. La durata dello stampo è stata migliorata fino a 200.000 volte e l'errore di assemblaggio è stato ridotto da 0,1 mm a 0,02 mm.
Miglioramento del sistema di raffreddamento conformato
LPBF può realizzare un circuito dell'acqua di raffreddamento all'interno dello stampo che si adatta alla forma del prodotto utilizzando un progetto di ottimizzazione della topologia. Dopo aver progettato un circuito idrico conforme per lo stampo a iniezione di un involucro di condizionamento d'aria in una certa azienda di elettrodomestici, l'efficienza di raffreddamento è aumentata del 42%, il tasso di deformazione del prodotto è diminuito del 67% e un singolo set di stampi ha consentito di risparmiare più di 120.000 yuan in costi di elettricità ogni anno.
Integrazione leggera e funzionale
LPBF aiuta con la progettazione leggera, compreso il riempimento e la costruzione del reticolo. LPBF ha realizzato il supporto del pacco batteria per un certo veicolo a nuova energia in lega di alluminio. Ciò lo rende più leggero del 38% e supera un test di sovraccarico del 150%, che aumenta la portata dell'8%. Questa tecnica può anche combinare moduli funzionali come sensori ed elementi riscaldanti per far funzionare insieme le "attrezzature per stampi".
Iterazione rapida e produzione su misura per le vostre esigenze
LPBF non necessita della preparazione dello stampo e la modifica del progetto richiede semplicemente la modifica del modello digitale. Ciò riduce il tempo necessario per intraprendere attività di ricerca e sviluppo. Un'azienda medica ha utilizzato LPBF per realizzare stampi per impianti ortopedici personalizzati. La procedura ha richiesto solo 72 ore dalla progettazione alla consegna, ovvero l'80% più velocemente rispetto ai metodi precedenti. Ha inoltre consentito la verifica di più soluzioni contemporaneamente.
3. Un caso d'uso comune è: dalla produzione di fascia alta-alla produzione di massa nel settore aerospaziale
LPBF è stato utilizzato con successo per realizzare stampi per parti che devono funzionare a temperature e pressioni elevate, come camere di combustione di motori e radiatori di turbine. Ad esempio, il Fraunhofer IGCV in Germania utilizza parti dimostrative di motori a razzo realizzate da LPBF-. L'area di esposizione alle alte-temperature è realizzata in lega di rame per rendere il motore più efficiente dal punto di vista energetico, la parte-portante è realizzata in acciaio ad alta-resistenza per renderlo più affidabile e le alette esterne in rame svolgono sia funzioni di raffreddamento che di supporto. Queste parti sono il 30% più leggere e il 25% più affidabili rispetto ai motori tradizionali.
il settore automobilistico
LPBF aumenta notevolmente l'efficienza produttiva nella realizzazione di stampi essenziali, inclusi stampi per pressofusione-e stampi a iniezione, ottimizzando i canali dell'acqua di raffreddamento e utilizzando design leggeri. Uno stampo per pressofusione in lega di magnesio-realizzato da un fornitore di componenti automobilistici utilizzando LPBF dura 200.000 cicli, ovvero tre volte di più rispetto agli stampi tradizionali. Una fabbrica di stampi per paraurti utilizza una tecnologia di distribuzione della polvere ad alta-velocità per accelerare il processo di realizzazione di un singolo set di stampi da 18 a 11 giorni, con un risparmio del 15% sui costi.
Sanità ed elettronica di consumo
LPBF è ottimo per realizzare stampi piccoli e precisi. Ad esempio, una determinata fabbrica di stampi per prodotti 3C realizza stampi per cornici di telefoni cellulari utilizzando la tecnologia μ-LPBF (precisione di stampa di 2–5 μm), con una dimensione minima del dettaglio di 50 μm e una rugosità superficiale di Ra<0.8 μm, which meets optical grade standards. A dental company uses LPBF to make personalized invisible appliance molds, and by optimizing the design of the topology, it improves the uniformity of orthodontic force distribution by 40% and raises the patient adaptation rate from 85% to 98%.
4. Tendenza del settore: combinare tecnologie e ricostruire l'ambiente
Realizzare strutture con molteplici materiali e gradienti
LPBF può realizzare stampi in materiale eterogeneo o gradiente gestendo il sistema di alimentazione delle polveri. Ad esempio, una particolare azienda ha realizzato uno stampo per materiale con gradiente di direzione XY che utilizza una lega a base di nichel-nella zona ad alta-temperatura per renderla resistente al calore-e una lega di rame nella zona di raffreddamento per migliorare la conduzione del calore. Le qualità meccaniche e termiche garantiscono una transizione fluida e l'efficienza è superiore del 50% rispetto a quella degli stampi compositi multi-strato standard.
Miglioramento intelligente dei processi e gestione dei guasti
LPBF può prevedere lo stress residuo e la deformazione in tempo reale utilizzando sia modelli di accoppiamento termomeccanico che metodi di apprendimento automatico. Ad esempio, il modello a elementi finiti di Autodesk modella i campi di temperatura e stress che si verificano durante la scansione laser. Mantiene le variazioni delle prestazioni di trazione radiale e circonferenziale delle pale delle turbine in lega di titanio al di sotto del 5% e ne prolunga la durata a fatica del 30%.
Produzione verde ed economia circolare
Il materiale LPBF ha un tasso di utilizzo del 90%, ovvero 40 punti percentuali in più rispetto alla produzione sottrattiva standard. Un'azienda ha aumentato il tasso di riciclaggio delle polveri all'85% e ha tagliato il costo di un singolo set di materiali per stampi del 20% riutilizzando la polvere che non si è sciolta e vagliandola. LPBF soddisfa anche le normative di produzione ecologica come la "tariffa sul carbonio" dell'UE perché non rilascia alcun fluido da taglio e utilizza pochissima energia.