¿Cómo puede la impresión 3D en metal ayudar a fabricar moldes de precisión?

1. Libertad de diseño: superar los límites geométricos de la fabricación tradicional
Al agregar capas en lugar de quitarlas, la impresión 3D de metal cambia totalmente la lógica del "procesamiento sustractivo" en la fabricación de moldes tradicionales. Esta característica tecnológica permite a los diseñadores de moldes superar los límites de los métodos tradicionales en estructuras complicadas y hacer posibles los siguientes nuevos usos:
Diseño de un canal de agua que se adapta a la forma del objeto.
Los agujeros rectos o los canales de agua curvos son comunes en los sistemas tradicionales de enfriamiento de moldes. Es difícil igualar las formas complicadas del producto, lo que provoca un enfriamiento desigual y deformación del producto. La impresión 3D en metal puede construir inmediatamente una red de canales de flujo 3D que se adhiere muy bien a la superficie del producto. Esto hace que la refrigeración sea más de un 40% más eficiente. Por ejemplo, una empresa de vehículos de nueva energía utiliza moldes de fundición a presión-de carcasas de paquetes de baterías impresos en 3D-y optimiza el diseño de canales de agua conformados para acortar el ciclo de moldeo por inyección de 120 segundos a 75 segundos, aumentar la tasa de rendimiento del producto del 85% al ​​99,5% y extender la vida útil del molde a más de 100.000 veces, lo que es tres veces más que los métodos tradicionales.
Colocación de una estructura ligera
La impresión 3D de metal puede reducir el peso entre un 30% y un 50% y, al mismo tiempo, seguir fabricando moldes resistentes mediante el uso de diseños biomiméticos como estructuras de celosía y celosías huecas. Un molde de disco de turbina de motor de avión específico utiliza una estructura reticular de aleación de titanio que reduce el peso en un 42 % y mantiene la capacidad de soportar altas temperaturas. Esto reduce enormemente el coste de transporte y procesamiento de energía.
Moldeo integrado de piezas con muchas funciones.
En los moldes tradicionales, piezas como boquillas calientes y mesones aislantes deben ensamblarse en varios pasos, lo que fácilmente puede dar lugar a errores. La impresión 3D en metal puede imprimir toda la estructura de la boquilla caliente de una sola vez, lo que elimina los espacios entre las secciones y la hace más estable a altas temperaturas. Cierta empresa utilizó la impresión 3D para fabricar mesones aislantes de celosía hexagonal hueca. Esto redujo el uso de energía del sistema de canal caliente en un 25 % y la deformación térmica del molde en un 60 %.
2. Integración de funciones: desde el conformado único hasta la optimización de todo el proceso.
La impresión 3D en metal no solo cambia el diseño de los cuerpos de los moldes, sino que también fomenta que todo el proceso de producción de moldes genere nuevas ideas a través de la integración funcional:
Moldura con más de un material.
Con la tecnología de revestimiento láser, se pueden combinar en un solo molde diferentes materiales como metal, cerámica y metal plástico. Cierta empresa fabricó un "molde compuesto de metal y cerámica" imprimiendo en 3D una capa de cerámica de alta-dureza sobre un sustrato metálico de alta-resistencia. Esto hace que el molde sea tres veces más resistente al desgaste y extiende su vida útil a más de 150.000 veces, lo que es perfecto para fabricar componentes estructurales de precisión en electrónica de consumo que deben fabricarse rápidamente.
Un sofisticado sistema de sensores integrado
Con la impresión 3D, se pueden colocar inmediatamente sensores de temperatura y presión en el molde, lo que crea un sistema de monitoreo "gemelo digital". Cierto molde de parachoques de automóvil tiene-sensores de rejilla de fibra óptica incorporados que vigilan la distribución del campo de temperatura en la cavidad del molde en tiempo real. También utiliza algoritmos de IA para cambiar los parámetros de enfriamiento sobre la marcha, lo que mantiene el tamaño del producto con una precisión de ± 0,02 mm y el molde dura más de 200.000 usos.
Reparación y refabricación rápidas: la tecnología de deposición directa de energía (DED) puede reparar moldes desgastados en un solo lugar, recuperando la precisión original de las dimensiones. Una empresa aeronáutica emplea tecnología de revestimiento láser para reparar moldes de fundición a presión de aleación de aluminio-. La capa de reparación se adhiere al sustrato con una fuerza de 450 MPa y el coste de la reparación es sólo el 30 % del coste de fabricar moldes nuevos. La reparación durará más del 90% de su vida original.
3. De "utilizable" a "alto-rendimiento", el rendimiento del material ha mejorado.
Lo principal que afecta la vida útil de un molde es qué tan bien funciona el material. La impresión 3D en metal mejora en gran medida la calidad de los materiales de los moldes mediante el uso de las siguientes tecnologías:
Creando un sistema de materiales especializados.
En respuesta a las necesidades de las condiciones operativas de los moldes, empresas en China y en todo el mundo han comenzado a fabricar una serie de materiales en polvo específicos:
Acero para moldes ESU-H13: al mejorar la distribución de los carburos, la longevidad de los moldes de fundición a presión-ha pasado de 30.000 veces en técnicas estándar a 60.000 veces. Se ha utilizado para fabricar los marcos de los teléfonos móviles de la serie Huawei Mate.
Acero CX de ultra alta resistencia: Tiene una resistencia a la tracción de 1700 MPa y se utiliza para fabricar moldes para cuerpos de cilindros de motores de automóviles Bosch. Estos moldes duran más de 80.000 ciclos, un 40 % más que el acero S136 típico.
Aleación de aluminio Al250C: dura más de 5000 horas a 250 grados y es 50 veces mejor que la aleación de aluminio Scalmalloy. Se utiliza frecuentemente en componentes estructurales aeroespaciales.
Nuevas ideas para el proceso de tratamiento térmico.
Cree un método de tratamiento térmico específico que funcione con la forma en que la impresión 3D une las capas:
Enfriamiento graduado y tratamiento criogénico: El molde de acero martensítico 1.2709 es muy duro, con una dureza de 52HRC y una tenacidad al impacto CVN de 10J. Esto lo hace lo suficientemente fuerte como para soportar el enorme estrés que necesitarán los futuros vehículos energéticos.
Prensado isostático en caliente (HIP): el procesamiento a 1200 grados/150 MPa elimina los poros interiores en moldes impresos en 3D. Esto hace que duren un 200% más y alcancen el 95% de la vida útil de las técnicas de forjado típicas.
Combinando tecnología de fortalecimiento de superficies
El granallado supersónico genera una capa de tensión de compresión de 300 μm de espesor en la superficie del molde. Esto hace que una matriz de forja específica dure entre 20.000 y 50.000 ciclos más.
Deposición química de vapor (CVD): este proceso agrega una capa de diamante de 0,05 mm de espesor a la superficie de la cavidad del molde para hacerlo 10 veces más resistente al desgaste. Se utiliza para fabricar moldes para envases de semiconductores.
4. Usos en los negocios y tendencias de futuro
En las industrias del automóvil, la aviación y la electrónica, la tecnología de impresión 3D en metal se utiliza mucho.
En la industria automotriz, Broadcom Precision produjo un molde de fundición a presión integrado-impreso en 3D para Tesla que redujo el número de piezas del piso trasero de 171 a 1, hizo que la producción fuera un 40% más eficiente y le dio al molde una vida útil 150.000 veces mayor.
Relativity Space fabrica moldes de boquillas de aleación de cobre impresos en 3D en la industria de la aviación utilizando equipos EOS M400. Estos moldes utilizan tecnología láser verde para solucionar el problema de que los materiales de cobre sean demasiado reflectantes. La vida útil cumple con el criterio del proyecto SpaceX Starship de fabricar una unidad cada semana.
Xiaomi Technology se ha asociado con Yisu Laser para fabricar-moldes de fundición a presión para marcos de teléfonos móviles a partir de material ESU-H13. Estos moldes tienen una duración de 120.000 ciclos y pueden soportar el envío de más de 50 millones de unidades de la serie Xiaomi 14 por año.
En el futuro, la impresión 3D en metal cambiará de estas maneras:
Integración de múltiples materiales y procesos: uso conjunto de tecnología de inyección de aglutinante (BJ) y fusión de lecho de polvo (PBF) para fabricar moldes grandes de forma rápida y económica.
Diseño inteligente-impulsado por IA: los algoritmos de diseño generativo optimizan automáticamente la estructura del molde, lo que significa que se utiliza más del 90% del material.
Construir un sistema de fabricación ecológico: el uso de materiales en polvo reciclables y un sistema de producción de circuito cerrado-, que reduce las emisiones de carbono en un 50 % durante todo el proceso de fabricación, está en consonancia con las necesidades de una economía circular.