¿Cómo puede la impresión 3D de metal lograr un moldeado de moldes de alta-precisión?

一, Principio técnico: desde microfusión hasta macroprecisión, control preciso
La idea principal detrás de la impresión 3D de metal es fundir polvo de metal capa por capa utilizando fuentes de calor de alta-energía. Esto permite pasar directamente de modelos digitales a piezas reales. Por ejemplo, el flujo del proceso para la tecnología de fusión selectiva por láser (SLM) tiene cuatro pasos principales:
Esparcidor de polvo: un mecanismo raspador bidireccional esparce el polvo metálico por igual sobre el banco de trabajo. El espesor del recubrimiento se puede regular con mucha precisión, entre 5 y 50 μm, lo que proporciona la base para una precisión de nivel micrométrico.
Escaneo láser: una lente f-theta enfoca el haz de alta-energía de un láser de fibra de 200 W para crear un punto de menos de 100 μ m de diámetro. El polvo se funde a lo largo de un camino predefinido a una velocidad de 3000 mm/s, y el ancho del baño fundido es aproximadamente dos o tres veces el diámetro del punto.
Apilamiento capa por capa: después de derretir cada capa, el banco de trabajo desciende a la altura de una capa y el proceso de fusión por colocación de polvo se repite hasta que-se logra la formación de sólidos tridimensionales mediante el apilamiento capa por capa.
Controle la atmósfera: mantenga la cámara de moldeo llena con un gas inerte que tenga menos del 0,1% de oxígeno. Esto evitará que el metal se oxide y mantendrá estable el rendimiento del material.
Este método de fundir capa por capa permite crear formas intrincadas dentro del molde con las que es difícil trabajar con métodos tradicionales. Por ejemplo, el equipo Platinum BLT-S400 puede controlar el tamaño mínimo de la característica dentro de 100 μ m y la rugosidad de la superficie original Ra dentro de 8 μ m para un tamaño de moldeo de 400 × 300 × 400 mm³ mediante escaneo colaborativo multi-láser. Esto brinda soporte de hardware para fabricar moldes con muy alta precisión.
2. Cuatro formas principales de mejorar la precisión utilizando la tecnología
1. Un canal de enfriamiento flexible que va desde la distribución uniforme del calor hasta el control exacto de la temperatura
El sistema de enfriamiento de molde típico utiliza orificios rectos o tecnologías de perforación, y la disposición del circuito de agua de enfriamiento es limitada. Esto puede provocar fácilmente que el molde tenga una distribución desigual de la temperatura, lo que puede provocar problemas como la deformación y la contracción del producto. La tecnología de impresión 3D en metal ha superado esta barrera. Con el diseño de optimización de topología, se puede crear dentro del molde un canal de enfriamiento conforme que se adapta perfectamente a la forma de la cavidad del molde.
Platinum Technology utiliza acero para moldes BLT-18Ni300 e impresión 3D para hacer que el canal de agua de refrigeración tenga un diámetro de 2 a 3 mm y un espacio entre canales de agua de 5 a 8 mm. Esto permite que el líquido refrigerante afecte directamente a las zonas de alta temperatura. Los datos experimentales indican que el sistema de enfriamiento mejorado puede disminuir la diferencia de temperatura de la superficie del molde de 15 a 20 grados en procedimientos convencionales a menos de 5 grados, reducir el ciclo de moldeo por inyección entre un 15 % y un 30 % y mejorar el rendimiento del producto en más de un 10 %.
2. Estructura ligera: desde quitar material hasta mejorar la estructura
Al fabricar moldes a la antigua-forma antigua, los materiales superfluos se eliminan mediante procesamiento mecánico. Esto cuesta recursos y dificulta la creación de estructuras internas intrincadas. Utilizando métodos de optimización de topología, la impresión 3D de metal puede eliminar con precisión elementos que no son necesarios y al mismo tiempo mantener el molde fuerte, lo que conduce a un diseño liviano.
Por ejemplo, después de utilizar la tecnología de impresión 3D para fabricar un molde para una pieza de automóvil, el peso se redujo en un 35 % y el costo de los materiales se redujo en un 28 %. Al mismo tiempo, un diseño liviano hace que el molde sea menos pesado, reduce el tiempo necesario para cambiar el molde en un 40 % y aumenta considerablemente la eficiencia de la producción. Al llenar las secciones sin-carga-con estructuras de celosía, se puede reducir aún más el peso sin perder rigidez. Esta es una nueva forma de aligerar los moldes.
3. Integración de funciones complejas: de una estructura a muchas funciones
La impresión 3D en metal tiene características de fabricación en capas que permiten combinar varias estructuras funcionales en moldes. Por ejemplo, en los moldes de inyección, el mecanismo eyector, el control deslizante, el circuito de agua de refrigeración y otras piezas se pueden combinar en una sola pieza para facilitar el montaje y reducir las probabilidades de que salga mal. En el caso de un molde médico, la impresión 3D creó el molde que antes necesitaba 12 piezas para ensamblarse en solo 2 partes. Esto redujo el tiempo que llevó armar el molde de 8 horas a 1,5 horas y mantuvo la tolerancia dimensional dentro de ± 0,02 mm.
4. Innovación en materiales: de aleaciones universales a materiales personalizados
La impresión 3D de metal puede funcionar con una amplia gama de materiales, incluidos acero inoxidable, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio y aleaciones a base de níquel-. También puede cambiar las propiedades de los materiales cambiando la composición del polvo. Por ejemplo, en la industria aeroespacial, los moldes fabricados con Inconel 718, una aleación a base de níquel-, pueden permanecer fuertes y resistir la corrosión incluso a temperaturas de hasta 650 grados, que es lo que se necesita para condiciones de trabajo muy duras. En el campo médico, controlar la porosidad (30-70% variable) y el tamaño de los poros (200-600 μm) de las aleaciones de titanio puede ayudar a que los implantes y los huesos humanos funcionen mejor juntos, lo que puede hacer que la cirugía sea más exitosa.
3. Tecnología para el pos-procesamiento: del moldeo en bruto a la precisión perfecta
Aunque la precisión de formado original de la impresión 3D de metal es de nivel micrométrico, todavía es necesario agregar tecnología de pos-procesamiento para cumplir con estándares estrictos de calidad de la superficie del molde, precisión dimensional y otras cosas.
El tratamiento térmico es un procedimiento que elimina las tensiones residuales y mejora la microestructura de los materiales. Algunos ejemplos son el recocido en solución y el tratamiento de envejecimiento. Por ejemplo, la dureza del acero para herramientas H13 puede variar de 38 HRC a 52 HRC después de un tratamiento de solución a 1050 grados y un tratamiento de envejecimiento a 620 grados. Su resistencia al desgaste también mejora mucho.
Tratamiento de la superficie: para mejorar la superficie, se utilizan chorro de arena, pulido, galvanoplastia y otros métodos. Mediante pulido mecánico, la rugosidad de la superficie de una determinada caja de molde de precisión se redujo de Ra8 μ m a Ra0,4 μ m. Esto cumplió con los estándares de moldeo por inyección para productos de grado óptico.
Mecanizado de precisión: fresado CNC o mecanizado por electroerosión de elementos importantes con tolerancias de tamaño estrictas. Por ejemplo, un determinado molde de conector se fabrica mediante impresión 3D y fabricación de compuestos CNC, y la holgura de acoplamiento se mantiene dentro de 0,005 mm, que es el nivel más alto del mundo.