Como testar o desempenho de resfriamento de moldes metálicos de impressão 3D?

一, Partes principais do teste de desempenho de resfriamento
1. Testando o desempenho termodinâmico
Medir a condutividade térmica é uma forma importante de descobrir quão bem os materiais transportam calor. O método de flash a laser ASTM E1461 pode avaliar com precisão a difusividade térmica de materiais de molde entre -100 e 500 graus Celsius. Uma equipe de pesquisa testou aço para molde H13 impresso em 3D e descobriu que sua condutividade térmica era de 28,5 W/(m · K), o que é 12% maior do que os procedimentos de forjamento padrão. Isso ocorre porque a impressão 3D cria uma estrutura única de granulação fina.

O principal objetivo da análise de resistência térmica é descobrir quão bem o molde transfere calor. Para fazer mapas de nuvens de gradiente de temperatura, você pode colocar termopares em pontos importantes do molde e usar tecnologias de imagem térmica infravermelha para combiná-los. Um teste feito por uma determinada empresa que fabrica peças de automóveis indica que a temperatura do núcleo do molde de fundição sob pressão de liga de alumínio impressa em 3D permanece dentro de ± 3 graus após fazer 1.000 moldes consecutivos. Isso é 60% menor que os moldes tradicionais.

2. Teste de dinâmica de fluidos
Testar a característica de queda de pressão é uma boa maneira de verificar se o projeto do circuito de água de resfriamento é razoável. O dispositivo de calibração de fluxo Micronics PT100 pode detectar corretamente a perda de pressão no curso de água quando a vazão está entre 0,1 e 100 L/min. Um estudo de caso de um molde de embalagem eletrônica mostrou que o canal de água de resfriamento em espiral-impresso em 3D caiu apenas 0,8 kPa a uma vazão de 20 L/min, o que foi 45% menor que o canal de água de perfuração tradicional. Isto mostra que o design do seu canal está mais alinhado com os princípios da dinâmica de fluidos.

Uma rede de sensores de fluxo-multicanal é usada para fazer o teste de uniformidade de fluxo. Uma equipe de pesquisa montou 12 locais de monitoramento de fluxo em um complicado molde de cavidade-impresso em 3D. Eles observaram que o desvio de fluxo de cada canal foi mantido dentro de ± 2% para garantir que o meio de resfriamento fosse distribuído uniformemente. Este procedimento de teste é muito bom para moldes de alta-precisão usados ​​na indústria aeroespacial. Por exemplo, um molde de suporte de satélite que refinou o padrão do curso de água para reduzir a deformação por empenamento do produto de 0,3 mm para 0,05 mm.

2, Um sistema para testes em diferentes escalas
1. Teste em escala microscópica
O estudo metalográfico pode mostrar as-propriedades microestruturais únicas-de-da impressão 3D. Com um microscópio metalográfico Olympus BX53M, você pode ver grãos colunares finos que foram feitos usando o processo de fusão em leito de pó a laser (LPBF). Esses grãos são 50% menores do que aqueles produzidos com métodos típicos de fundição. Essa microestrutura torna o material muito melhor para lidar com a fadiga térmica. Após 10 ^ 6 ciclos térmicos, um certo teste demonstrou que os moldes impressos em 3D ainda possuem uma estrutura de contorno de grão completa, enquanto os moldes tradicionais apresentavam fissuras claras.

O porosímetro de intrusão de mercúrio Micromeritics AutoPore V é usado para encontrar a porosidade. Ele pode encontrar corretamente onde estão os poros do molde. Um teste de molde de implante médico indicou que, ao alterar as configurações de impressão, a porosidade poderia ser reduzida de 0,5% para 0,08%, e o tamanho dos poros estava principalmente entre 1 e 5 μm. Esta estrutura espessa impede o vazamento do meio de resfriamento e torna o molde mais resistente.

2. Testes em larga escala
O monitoramento dinâmico de imagens térmicas é uma maneira fácil de ver até que ponto os moldes estão resfriando. A câmera termográfica FLIR T865 pode mostrar como a temperatura na superfície do molde varia em tempo real. Tem uma resolução de 640 × 480 e pode ver temperaturas de -40 graus a 1500 graus. Ao testar um determinado molde de cabeçote de motor de automóvel, os pesquisadores compararam as imagens térmicas da impressão 3D e dos moldes tradicionais. Eles descobriram que o desvio padrão da distribuição de temperatura do molde de impressão 3D era de apenas 1,2 graus, 75% menor que o do molde tradicional. Isso mostrou que o projeto do circuito de água de resfriamento conformado fez uma grande diferença no equilíbrio térmico.

A máquina de teste de fadiga MTS 370.10 é usada para o teste de resistência à fadiga. Ele simula como o desempenho do molde mudaria após 1 milhão de ciclos quentes e frios com uma faixa de carga de ± 25kN. 3O aço para moldes impresso em D mantém 90% de sua dureza original após 500.000 ciclos, enquanto os moldes tradicionais perdem 30% de sua dureza nas mesmas condições. Isso ocorre porque a tecnologia de impressão 3D elimina a concentração de estresse interno.

3, Uso das mais recentes técnicas de teste
1. A tecnologia dos gêmeos digitais
Um modelo gêmeo digital do processo de resfriamento do molde pode ser feito combinando o software de análise de fluxo de molde Moldflow com métodos de aprendizado de máquina. Um grupo de estudo construiu um modelo de IA que pode adivinhar as distribuições de temperatura, velocidade e pressão em uma determinada área, treinando em 36.000 conjuntos de dados parametrizados em forma de aleta. Os resultados projetados do modelo correspondem bem aos dados de testes reais, com uma taxa de precisão de 95%. Isto é 40% melhor do que os métodos empíricos padrão e reduz o tempo necessário para fazer um molde.

2. Uma rede de pequenos sensores
Colocar um conjunto de sensores de microtemperatura e pressão dentro do molde pode permitir que você fique de olho no processo de resfriamento em tempo real. Um estudo específico usou 24 sensores MEMS em um minúsculo-trocador de calor impresso em 3D para medir com sucesso mudanças de temperatura local de 0,1 grau, fornecendo suporte de dados precisos para o gerenciamento do canal. Essa técnica é ótima para fazer moldes de alta{6}}precisão na indústria aeroespacial. Por exemplo, um molde de bico de motor de foguete que controla as mudanças de temperatura na área de concentração de estresse térmico dentro de ± 5 graus através de uma rede de sensores.

4. Padrões e critérios para testes na indústria
ISO 23499-2017, "Padrão de avaliação de qualidade para impressão 3D de metal", foi publicado pela Organização Internacional de Padronização (ISO). Ele define o padrão para avaliar o desempenho de refrigeração. O teste de condutividade térmica deve seguir a norma ASTM E1461, o teste de queda de pressão deve seguir a especificação ISO 527-2 e o teste de vida à fadiga deve seguir a norma ISO 1217. Na China, padrões como GB/T 39251-2020 "Métodos de caracterização para propriedades de pó metálico na fabricação aditiva" fornecem à indústria um conjunto completo de especificações técnicas.