A liga de cobre é adequada para impressão 3D de sistemas de resfriamento de moldes?

1. O principal benefício de desempenho da liga de cobre é que ela pode conduzir calor e resistir ao calor ao mesmo tempo.
As coisas mais importantes que o sistema de resfriamento do molde precisa fazer é eliminar o calor rapidamente e ser capaz de trabalhar em configurações de alta-pressão e alta-temperatura. A liga de cobre é um ótimo material para sistemas de resfriamento de impressão 3D, pois possui excelentes qualidades físicas.
Condutividade térmica muito alta: O cobre puro tem uma condutividade térmica de 401 W/(m · K), que é 8 a 10 vezes maior que a do aço para moldes. Mesmo depois de ser tratado com uma liga (como a liga CuCrZr), sua condutividade térmica permanece entre 200 e 300 W/(m · K), o que é muito superior à dos materiais de resfriamento padrão. Esta propriedade permite que o sistema de resfriamento da liga de cobre se livre rapidamente do calor do molde, o que encurta o ciclo de moldagem. Depois de usar canais de água de resfriamento impressos em 3D de liga de cobre para um determinado molde de pára-choque de automóvel, o tempo necessário para fazer uma peça passou de 18 para 12 segundos, e a quantidade de energia usada caiu 22%.
Resistência à fadiga térmica: A temperatura da superfície do molde muda muito em situações de alta pressão e velocidade. A liga de cobre é muito mais resistente à fadiga térmica do que o aço, e seu coeficiente de expansão térmica é uma boa combinação para moldes de aço. Isso reduz a probabilidade de rachaduras devido ao estresse térmico. Após 10.000 ciclos a uma alta temperatura de 600 graus, dados experimentais mostram que a liga CuCrZr ainda possui mais de 90% de sua resistência inicial. Sua vida útil é três vezes maior que a dos moldes típicos.
As ligas de cobre são naturalmente resistentes a íons cloreto, sulfetos e outras substâncias corrosivas no refrigerante. Eles são especialmente bons para situações corrosivas, como engenharia naval e moldes químicos. A adição de pequenas quantidades de níquel, zircônio e outros elementos pode torná-lo ainda mais resistente à corrosão e ajudar o sistema de refrigeração a durar mais tempo.
2. 3Adaptação do processo de impressão D: superando as limitações da fabricação convencional
Existem dois problemas principais com o processamento tradicional de ligas de cobre: ​​primeiro, a alta condutividade térmica da poça fundida faz com que ela perca calor rapidamente, o que pode causar falhas como delaminação e ondulação; Em segundo lugar, a alta refletividade (até 98% para um laser de 1064 nm) dificulta o uso da tecnologia SLM típica. A inovação de processos ajudou a tecnologia de impressão 3D a superar vários problemas:
Tecnologia SLM de laser verde: um laser verde de comprimento de onda de 515 nm aumenta a taxa de absorção de luz verde pelo cobre para 40%, o que é 8 vezes maior do que a de um laser-infravermelho próximo. O equipamento TruPrint 5000 versão verde da empresa alemã Tongkuai pode imprimir aceleradores quadrupolo RF de cobre puro com densidade de 99,95% e condutividade de 100% IACS. Ao ajustar o ponto de concentração (25 μm) e a abordagem de digitalização, esta tecnologia torna a impressão em liga de cobre três vezes mais eficiente do que os métodos existentes.
A tecnologia de fusão por feixe de elétrons (EBM) usa um feixe de elétrons como fonte de calor para evitar problemas com alta refletividade e uma atmosfera de vácuo para impedir a oxidação do cobre. A rugosidade superficial Ra das peças de liga de cobre impressas pela EBM é menor ou igual a 6,3 μm, o que significa que podem ser utilizadas imediatamente para moldes de precisão, sem quaisquer procedimentos extras. Mas essa tecnologia custa muito para ser instalada e, por enquanto, é usada principalmente em áreas-de ponta, como a aeroespacial.
Deposição de energia dirigida a laser (LP-DED): O problema do "cordão de soldagem" na fabricação aditiva de ligas de cobre é resolvido pelo "aumento da energia do laser". Ao imprimir a liga CuCrZr, a equipe de pesquisa do Instituto Nacional de Tecnologia da Índia usou uma potência baixa de 200 W nas três primeiras camadas para garantir que elas aderissem ao substrato. Eles então aumentaram a potência para 1.000 W para corresponder à condutividade térmica do material, o que levou a uma densidade de 97,47% e uma condutividade térmica de 168,3 W/(m · K).
3. Um exemplo de como funciona uma indústria: indo do laboratório à linha de produção
A instalação da Tesla em Xangai emprega um sistema de resfriamento de liga de cobre-impresso em 3D para consertar enormes moldes-de fundição sob pressão na indústria de moldes automotivos. Leva apenas 72 horas para consertar danos no molde e colocar a produção de volta nos trilhos, o que é 90% mais rápido do que os processos normais de reparo. O projeto de resfriamento conformado torna a temperatura do molde mais uniforme em 80% e a taxa de qualificação do produto sobe de 92% para 98%.
Um fabricante de telefones celulares empregou impressão 3D de liga de cobre para fabricar rapidamente moldes de produção experimental, o que reduziu o tempo necessário para desenvolver um novo dispositivo de 18 para 12 meses. O circuito de água de resfriamento tem uma topologia-construída otimizada que torna a transmissão de calor 120% melhor com a mesma potência da bomba. Isso reduz muito a chance de o produto deformar ou deformar.
Na área aeroespacial, a Ursa Major fabricou a primeira câmara de combustão de foguete-impressa em 3D-baseada em cobre. Seu design de canal de resfriamento integrado reduziu a temperatura da parede da câmara de combustão em 300 graus e seu peso em 40%. A peça é construída em liga CuCrZr e foi testada 1000 vezes a uma pressão de 6 MPa sem quebrar, provando que a liga de cobre impressa em 3D é confiável em condições adversas.