Como a impressão 3D de metal pode ajudar na fabricação de moldes de precisão?

1. Liberdade de design: ultrapassando os limites geométricos da fabricação tradicional
Ao adicionar camadas em vez de retirá-las, a impressão 3D de metal muda totalmente a lógica do “processamento subtrativo” na fabricação de moldes tradicionais. Esta característica tecnológica permite aos projetistas de moldes ultrapassar os limites dos métodos tradicionais em estruturas complicadas e tornar possíveis os seguintes novos usos:
Projeto de um canal de água que se adapta ao formato do objeto
Furos retos ou canais de água curvos são comuns em sistemas tradicionais de resfriamento de moldes. É difícil combinar com os formatos complicados do produto, o que leva ao resfriamento irregular e ao empenamento do produto. A impressão 3D de metal pode construir imediatamente uma rede de canais de fluxo 3D que adere muito bem à superfície do produto. Isso torna o resfriamento mais de 40% mais eficiente. Por exemplo, uma nova empresa de veículos de energia usa moldes de fundição sob pressão de baterias-impressas em 3D-e otimiza o projeto de canais de água conformados para reduzir o ciclo de moldagem por injeção de 120 segundos para 75 segundos, aumentar a taxa de rendimento do produto de 85% para 99,5% e estender a vida útil do molde para mais de 100.000 vezes, o que é três vezes mais longo do que os métodos tradicionais.
Colocando em prática uma estrutura leve
A impressão 3D de metal pode reduzir o peso em 30% a 50% e, ao mesmo tempo, criar moldes fortes usando designs biomiméticos, como estruturas treliçadas e treliças ocas. Um molde específico de disco de turbina de motor de aeronave usa uma estrutura de treliça de liga de titânio que reduz o peso em 42%, mantendo a capacidade de suportar altas temperaturas. Isso reduz muito o custo de transporte e processamento de energia.
Moldagem integrada de peças com muitas funções
Nos moldes tradicionais, peças como bicos quentes e mésons de isolamento precisam ser montadas em diversas etapas, o que pode facilmente levar a erros. A impressão 3D de metal pode imprimir toda a estrutura do bico quente de uma só vez, o que elimina lacunas entre as seções e o torna mais estável em altas temperaturas. Uma certa empresa usou impressão 3D para fazer mésons de isolamento de treliça hexagonal oca. Isto reduziu o consumo de energia do sistema de câmara quente em 25% e a deformação térmica do molde em 60%.
2. Integração de funções: Da conformação única à otimização de todo o processo
A impressão 3D de metal não só altera o design dos corpos dos moldes, mas também incentiva todo o processo de produção de moldes a apresentar novas ideias através da integração funcional:
Moldagem com mais de um material
Com a tecnologia de revestimento a laser, diferentes materiais, como metal cerâmico e metal plástico, podem ser combinados em um molde. Uma certa empresa fez um "molde composto de metal-cerâmica" imprimindo em 3D uma camada de cerâmica de alta-dureza em um substrato de metal de alta{3}}resistência. Isso torna o molde três vezes mais resistente ao desgaste e prolonga sua vida útil em mais de 150.000 vezes, o que é perfeito para fabricar componentes estruturais de precisão em eletrônicos de consumo que precisam ser fabricados rapidamente.
Um sofisticado sistema de sensores integrado
Com a impressão 3D, você pode colocar imediatamente sensores de temperatura e pressão no molde, o que cria um sistema de monitoramento “gêmeo digital”. Um determinado molde de para-choque de carro possui-sensores de grade de fibra óptica integrados que monitoram a distribuição do campo de temperatura na cavidade do molde em tempo real. Ele também usa algoritmos de IA para alterar os parâmetros de resfriamento dinamicamente, o que mantém o tamanho do produto com precisão de ± 0,02 mm e o molde dura mais de 200.000 usos.
Reparo e remanufatura rápidos: A tecnologia de Deposição Direta de Energia (DED) pode consertar moldes desgastados em um só lugar, trazendo de volta a precisão original das dimensões. Uma empresa aeronáutica emprega tecnologia de revestimento a laser para consertar moldes de fundição-de liga de alumínio. A camada de reparo adere ao substrato com uma força de 450MPa, e o custo do reparo é de apenas 30% do custo de confecção de novos moldes. O reparo durará mais de 90% de sua vida útil original.
3. De "utilizável" a "alto-desempenho", o desempenho do material melhorou.
A principal coisa que afeta a vida útil de um molde é o bom funcionamento do material. A impressão 3D de metal melhora muito a qualidade dos materiais do molde usando as seguintes tecnologias:
Criando um sistema de materiais especializados
Em resposta às necessidades das condições operacionais do molde, empresas na China e em todo o mundo começaram a fabricar uma série de materiais em pó específicos:
Aço para moldes ESU-H13: ao melhorar a distribuição de carbonetos, a longevidade dos moldes-de fundição sob pressão passou de 30.000 vezes em técnicas padrão para 60.000 vezes. Ele tem sido usado para fazer molduras para celulares da série Huawei Mate.
Aço CX de ultra alta resistência: Possui resistência à tração de 1700MPa e é usado para fazer moldes para corpos de cilindros de motores automotivos Bosch. Esses moldes duram mais de 80.000 ciclos, o que é 40% mais longo que o aço S136 típico.
Liga de alumínio Al250C: Dura mais de 5.000 horas a 250 graus e é 50 vezes melhor que a liga de alumínio Scalmalloy. É frequentemente utilizado em componentes estruturais aeroespaciais.
Novas ideias para o processo de tratamento térmico
Faça um método de tratamento térmico específico que funcione com a forma como a impressão 3D une as camadas:
Têmpera graduada e tratamento criogênico: O molde de aço martensítico 1.2709 é muito duro, com dureza de 52HRC e resistência ao impacto CVN de 10J. Isto torna-o suficientemente forte para lidar com o enorme stress que os futuros veículos energéticos necessitarão.
Prensagem isostática a quente (HIP): O processamento a 1200 graus/150 MPa elimina os poros internos em moldes impressos em 3D. Isso faz com que durem 200% mais e alcancem 95% da vida útil das técnicas típicas de forjamento.
Combinando tecnologia de fortalecimento de superfície
O shot peening supersônico gera uma camada de tensão compressiva de 300 μm de espessura na superfície do molde. Isso faz com que uma matriz de forjamento específica dure de 20.000 a 50.000 ciclos a mais.
Deposição Química de Vapor (CVD): Este processo adiciona um revestimento de diamante de 0,05 mm de espessura à superfície da cavidade do molde para torná-la 10 vezes mais resistente ao desgaste. É usado para fazer moldes para embalagens de semicondutores.
4. Utilizações nos negócios e tendências para o futuro
Nas indústrias automobilística, de aviação e eletrônica, a tecnologia de impressão 3D de metal é muito utilizada.
Na indústria automotiva, a Broadcom Precision produziu um molde de fundição sob pressão integrado-impresso em 3D para a Tesla que reduziu o número de peças do piso traseiro de 171 para 1, tornou a produção 40% mais eficiente e proporcionou ao molde uma vida útil de 150.000 vezes.
A Relativity Space fabrica moldes de bicos de liga de cobre impressos em 3D na indústria da aviação usando equipamento EOS M400. Esses moldes usam tecnologia laser verde para resolver o problema de os materiais de cobre serem muito refletivos. A vida útil atende ao critério do projeto SpaceX Starship de fabricar uma unidade por semana.
A Xiaomi Technology se uniu à Yisu Laser para fabricar moldes de-fundição sob pressão para molduras de telefones celulares com material ESU-H13. Esses moldes duram 120.000 ciclos e podem suportar o envio de mais de 50 milhões de unidades da série Xiaomi 14 por ano.
No futuro, a impressão 3D de metal mudará das seguintes maneiras:
Integração de vários materiais e processos: Usando a tecnologia de jato de ligante (BJ) e fusão em leito de pó (PBF) juntas para fazer moldes grandes de forma rápida e barata.
Design inteligente-orientado por IA: algoritmos de design generativo otimizam automaticamente a estrutura do molde, o que significa que mais de 90% do material é usado.
Construir um sistema de fabricação ecológico: o uso de materiais em pó recicláveis ​​e um sistema de produção de{0} circuito fechado, que reduz as emissões de carbono em 50% durante todo o processo de fabricação, está alinhado às necessidades de uma economia circular.