Por que a otimização do sistema de resfriamento do molde é adequada para impressão 3D de metal?

一, O problema de projeto com sistemas de resfriamento padrão: passando de "perfuração direta" para "desequilíbrio térmico".
A forma clássica de resfriamento de moldes utiliza a técnica de perfuração cruzada de máquinas-ferramentas, e o circuito de água de resfriamento geralmente é uma linha reta ou quebrada. Este design tem três problemas principais:
O canal reto não se ajusta à complexa superfície curva da cavidade do molde, o que torna as distâncias de resfriamento irregulares. Por exemplo, quando um molde de pára-choque de carro emprega um canal típico, a diferença de temperatura na superfície do núcleo excede 45 graus, o tempo de resfriamento local é prolongado em 30% e a taxa de empenamento do produto chega a 8%.
Concentração de tensão térmica: O núcleo do molde esfria de forma desigual, o que causa diferenças de temperatura que contribuem para trincas por fadiga térmica. Após 2.000 fabricações consecutivas, um determinado-molde de fundição quebrou seu núcleo porque ficou muito quente em um ponto. O custo de manutenção foi de 35% do preço total do molde.
Muito material desperdiçado: No artesanato tradicional, é necessário reservar uma área para o processamento de cursos de água e os moldes precisam ser feitos separadamente antes de serem montados. Quando um determinado molde para pá de motor de aeronave utiliza tecnologia tradicional, a taxa de corte do material sobe para 72%. Se houver erros na montagem, a chance de bloqueio do circuito de água de refrigeração aumenta em 20%.
2, a tecnologia de impressão 3D de metal deu um grande passo: de "adaptação passiva" a "design ativo"
Os processos de fusão e empilhamento camada por camada na impressão 3D de metal mudam totalmente a forma como os sistemas de resfriamento tradicionais são projetados. Seus principais benefícios são demonstrados das seguintes formas:
1. Um circuito flexível de água de resfriamento que permite ajustar o campo de temperatura com muita precisão
A impressão 3D de metal pode criar um circuito de água de resfriamento conformado que se ajusta perfeitamente ao formato da cavidade do molde. O canal conformal espiral cônico que a Bastech construiu para montagem industrial foi melhorado com o software Cimatron. A área de superfície do curso de água aumentou de 24,2 polegadas quadradas para 52,2 polegadas quadradas e a eficiência de resfriamento aumentou 116%. Os resultados reais dos testes revelam que o tempo de resfriamento do molde caiu de 10,5 segundos para 7,5 segundos, o tempo de ciclo caiu 14% e a taxa de refugo do produto caiu de 5,2% para 0,8%.
2. Estrutura de otimização topológica: resolvendo o conflito entre "resistência do material"
Para garantir que sejam fortes, os moldes tradicionais precisam de estruturas substanciais. A impressão 3D de metal, por outro lado, pode criar estruturas interiores leves usando otimização topológica. Por exemplo, um novo molde para uma caixa de bateria de veículo elétrico tem uma estrutura treliçada que reduz o peso em 42%, mantendo a mesma resistência. Também adiciona 60% mais espaço para o circuito de água de resfriamento e reduz o ciclo de moldagem por injeção em 25%.
3. Impressão composta de vários-materiais: tornando possível o "resfriamento gradiente funcional"
Máquinas avançadas de impressão 3D de metal podem depositar vários materiais em um gradiente. Por exemplo, um molde para uma lâmina de turbina de motor de aeronave usa uma estrutura composta de "superfície de liga de cobre de alta condutividade térmica + núcleo de liga de titânio de alta{3}}resistência". Isso torna a temperatura da superfície do molde 30% mais uniforme e dura 2,3 vezes mais do que os processos tradicionais.
3, Análise de custo-benefício: do "alto preço unitário" à "vantagem completa do ciclo de vida"
Embora os equipamentos e materiais de impressão 3D de metal sejam caros, o benefício de custo de todo o ciclo de vida é considerável em situações em que você precisa fabricar um pequeno número de itens de alto-valor-agregado:
1. Custo dos materiais: de “70% de desperdício” a “95% de aproveitamento”
Geralmente são necessários de 60% a 75% do material para fazer um molde, enquanto a impressão 3D de metal utiliza mais de 95% do material. Por exemplo, fazer um molde para um implante médico utilizando métodos tradicionais necessita de 12 kg de peças em bruto de liga de titânio, enquanto a impressão 3D necessita apenas de 1,8 kg de pó, o que poupa 85% em materiais.
2. Custo de processamento: desde a "colaboração de vários-processos" até a "integração de equipamento único".
São necessárias 12 etapas para fazer um molde tradicional, como fresamento CNC, usinagem por descarga elétrica e corte de fio. Todo o processo pode levar de 4 a 6 semanas. Uma única máquina pode imprimir metal diretamente em 3D e, com um pouco de usinagem de precisão, pode obter uma rugosidade superficial de Ra0,8 μm. Os testes reais da Bastech revelam que os moldes impressos em 3D levam 80% menos tempo para programar e produzir do que os métodos tradicionais, e o custo de processamento de uma única peça é 40% menor.
3. Custos Ocultos: Do “Compromisso de Design” à “Iteração Rápida”
Custa muito abrir um molde tradicional, e se quiser mudar o design terá que fazer um novo, que custa de 30% a 50% do custo original. A impressão 3D de metal facilita a transformação rápida de modelos de computador em moldes reais. Através da impressão 3D, uma empresa de produtos eletrónicos de consumo reduziu o tempo necessário para fazer alterações num produto de três meses para duas semanas. Isto permite-lhes aproveitar as oportunidades de mercado e, ao mesmo tempo, poupar 6 milhões de yuans em despesas de tentativa e erro.
4. Reconstrução ecológica industrial: passando da “substituição tecnológica” para a “atualização de paradigmas”
A impressão 3D de metal está mudando a indústria de moldes ao reunir a integração de "serviços de fabricação de design":
Colaboração no ecossistema de software: Cimatron, Moldex3D e outras ferramentas tornam possível digitalizar totalmente o processo de "geração de caminho de impressão de otimização de projeto de simulação de resfriamento". Por exemplo, a B&J Speciality descobriu por meio da modelagem Moldex3D que os moldes padrão têm uma faixa de temperatura de 132 graus, mas os canais conformados-impressos em 3D mantêm a faixa de temperatura em 18 graus.
A 3D Systems, a Platinum Technology e outras empresas fabricaram pós especiais, como aço martensítico para envelhecimento e aço para moldes 18Ni300. Estes novos materiais têm uma condutividade térmica 20% superior e uma resistência à fadiga 3 vezes superior à dos materiais tradicionais.
Atualização do modelo de serviço: em vez de vender “hardware”, os fabricantes de dispositivos agora vendem “produtos de solução”. Bolite começou a oferecer uma solução que combina “equipamentos, materiais e banco de dados de processos”. O preço do pó de liga de titânio próprio caiu 50% desde 2020, e a plataforma Internet das Coisas permitiu alertar sobre falhas de equipamentos, o que elevou o percentual da receita do serviço para 30%.