A dureza dos moldes metálicos de impressão 3D pode atender aos requisitos de produção de alta-resistência?

1. Escolhendo o material certo: Suporte inferior feito de pó metálico com alta tenacidade
O próprio material determina a dureza dos moldes de impressão 3D em metal. Aço ferramenta, aço inoxidável, ligas duras e ligas especiais são os materiais mais comuns para moldes de impressão 3D atualmente. Eles têm uma faixa de dureza de HRC 20 a 70, o que significa que podem ser usados ​​em diversas situações.
O aço para ferramentas, como H13 e A2, tem uma dureza de HRC 40–60 após tratamento térmico. Ele é robusto e resistente ao desgaste, o que o torna adequado para situações de alto-estresse, como moldes-de fundição sob pressão e moldes de forjamento a quente. Por exemplo, uma empresa que fabrica peças de automóveis utiliza moldes de aço H13 impressos em 3D com dureza HRC 52 após tratamento térmico. Esses moldes funcionam tão bem quanto os moldes de forjamento tradicionais e duram três vezes mais.
O aço inoxidável 316L tem uma dureza de cerca de HRC 20–30, mas ajustando as configurações de impressão e o pós-{3}}processamento, sua dureza pode ser aumentada para mais de HRC 40 e ainda ser muito resistente à corrosão. Isto torna-o ideal para áreas onde a higiene é muito importante, como embalagens de alimentos e dispositivos médicos.
Liga dura: WC Co (carboneto de tungstênio-cobalto) é um material típico para situações de desgaste extremo, como matrizes de puncionamento e matrizes de trefilação. Ele tem uma dureza de até HRC 55–70 e é 10 vezes mais resistente-ao desgaste do que o aço para ferramentas. Uma certa empresa que fabrica peças elétricas emprega moldes de liga resistente-impressos em 3D para dobrar a frequência de punção, de 500.000 vezes para 2 milhões de vezes.
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 graus), por isso são muito utilizados em moldes para discos de turbinas de motores de aviação.
2. Otimização de processos: controle preciso desde a “impressão” até a “formação”
A dureza do metal Não apenas o material, mas também o gerenciamento exato dos parâmetros do processo são importantes para a impressão 3D. Por exemplo, a tecnologia de fusão seletiva a laser (SLM) aumenta a dureza otimizando os seguintes parâmetros importantes:
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 estiver alto pode rachar. Um estudo demonstra que ao imprimir aço inoxidável 316L com potência de laser de 150 W e velocidade de digitalização de 800 mm/s, a porosidade fica abaixo de 0,3% e a dureza chega a HRC 38, que é quase a mesma dos forjados.
Resistência de ligação entre camadas: Uma forte ligação metalúrgica entre camadas pode ser feita alterando os procedimentos de digitalização (como digitalização em tabuleiro de xadrez e digitalização em ilha) e a espessura da camada (20–50 μm). Por exemplo, uma determinada empresa de aviação imprime moldes de pás de turbina Ti6Al4V com uma espessura de camada de 30 μm e uma resistência de ligação entre camadas de 450MPa, que é 20% mais forte que os métodos anteriores.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 graus /s) pode criar uma estrutura-de granulação fina (como a martensita) que torna o material muito mais duro. Usando a tecnologia L-PBF, a equipe da City University of Hong Kong imprimiu uma liga Al Mg Mn Sc Zr. Eles usaram o mecanismo de reforço nano gêmeo para aumentar o limite de escoamento para 656 MPa, mantendo a ductilidade em 12%.
3. Tecnologia de pós-processamento: a última etapa para melhorar a dureza
A impressão 3D não é o fim; a tecnologia de pós-processamento é a parte mais importante para tornar os moldes mais duros.
Tratamento térmico: alteração da estrutura da rede por recozimento, têmpera ou envelhecimento. Por exemplo, depois de envelhecer a 480 graus, a dureza de um molde de aço martensítico 18Ni300 impresso em 3D passou de HRC 38 para HRC 52. Isso eliminou a tensão residual e diminuiu a probabilidade de quebra.
Para tornar a superfície mais dura, você pode usar shot peening, nitretação ou revestimento a laser. Um certo-fabricante de moldes de fundição usou shot peening para imprimir moldes de aço H13 em 3D. Isto tornou a superfície mais dura (de HRC 50 a HRC 58) e tornou-as 40% mais resistentes ao desgaste.
Prensagem isostática a quente (HIP): Usando alta pressão (100–200 MPa) e alta temperatura (900–1200 graus) para eliminar os poros internos e obter a densidade do material próxima de 100%. O molde Inconel 718 tratado com HIP é 30% mais duro e dura cinco vezes mais que o molde não tratado.
4. Uso na indústria: testes do laboratório até a linha de fabricação
O benefício da dureza dos moldes metálicos de impressão 3D foi confirmado em diversas áreas:
A GE Aviation usa moldes de bicos de combustível-impressos em 3D Inconel 718 com dureza HRC 45. Esses moldes são 15% mais leves do que peças fundidas padrão e podem suportar altas temperaturas e pressões.
Fabricação de carros: o BMW Group fabrica blocos de cilindros de motor em liga de alumínio usando moldes de aço e ferramentas de impressão 3D. A dureza do molde é HRC 50 e dura mais de 100 mil vezes, o que reduz em 40% o custo de cada peça.
A Johnson & Johnson emprega moldes de implantes ortopédicos de liga de cromo-cobalto-impressos em 3D com dureza HRC 60 e Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.