Vilka är tillämpningarna av Laser Powder Bed Melting (LPBF) i formtillverkning?

1. Teknisk princip: samspelet mellan mikrokontroll och makroformning
Huvuddelen av LPBF-tekniken är att kunna manipulera metallpulverbädden mycket exakt. Det finns tre steg i processflödet:
Spridning av pulvret: Skraparen sprider metallpulvret jämnt över formningsplattformen och gör ett lager av pulver som är 20–100 μm tjockt. Pulvrets densitet påverkas direkt av storleken på partiklarna. Till exempel gör plasmaroterande elektrodmetoden (PREP) Ti-6Al-4V-pulver som har en låg mängd fint pulver och flyter bra. Pulverdensiteten kan nå 55%–60%, vilket är mycket bättre än gasatomiseringsproceduren (GA).
En hög-laserstråle (100-1000W) skannar pulverskiktet längs en angiven bana och höjer den lokala temperaturen över smältpunkten direkt. Detta skapar en smält pool som snabbt stelnar. Du kan ändra lasereffekten (135–500W), skanningshastigheten (900–2000 mm/s) och skikttjockleken (30–50 μm) för att få rätt storlek för smältbassängen (50–150 μm bred, 10–50 μm djup) och kylhastighet (10 ⁁–10s). Detta kommer att förbättra mikrostrukturen.
Stapling lager för lager: Gör pulvrets spridnings- och smältcykel om och om igen tills du har en tre-dimensionell fast del. Denna procedur behöver inte formar eller skärverktyg, och det kan skapa "fri design". Det är särskilt bra för strukturer som är svåra att arbeta med med standardmetoder, som djupa hålrum, oregelbundna former och tunna väggar.
2. Den främsta fördelen är: Att övervinna de fyra huvudproblemen med att tillverka formar på det gamla-sättet
Integrerad formning av komplicerade strukturer
LPBF kan göra formdelar som behöver bearbetas och sättas ihop separat med traditionella metoder. Till exempel använde ett däckföretag LPBF-teknik för att tillverka mönsterblock av gummi. Detta minskade den typiska processen, som tog 12 steg och 45 dagar att slutföra, ner till 12 dagar för ett stycke och fördubblade effektiviteten för att tillverka många delar samtidigt. Formens livslängd förbättrades till 200 000 gånger, och monteringsfelet minskade från 0,1 mm till 0,02 mm.
Förbättring av det konforma kylsystemet
LPBF kan skapa en kylvattenkrets inuti formen som passar formen på produkten med hjälp av topologioptimeringsdesign. Efter att ha designat en konform vattenkrets för sprutformen i ett luftkonditioneringsskal i ett visst hushållsapparatföretag, ökade kylningseffektiviteten med 42 %, produktförvrängningen minskade med 67 % och en enda uppsättning formar sparade mer än 120 000 yuan i elkostnader varje år.
Lätt och funktionell integration
LPBF hjälper till med lättviktsdesign, inklusive gallerfyllning och gallerkonstruktion. LPBF tillverkade batterihållaren för ett visst nytt energifordon av aluminiumlegering. Detta gör den 38 % lättare och klarar ett 150 % överbelastningstest, vilket ökar räckvidden med 8 %. Denna teknik kan också kombinera funktionella moduler som sensorer och värmeelement för att få "formutrustning" att fungera tillsammans.
Snabb iteration och produktion som är skräddarsydd efter dina behov
LPBF behöver inte förbereda mögel, och att ändra designen kräver bara att den digitala modellen ändras. Detta minskar tiden det tar att bedriva forskning och utveckling. Ett medicinskt företag använde LPBF för att göra skräddarsydda ortopediska implantatformar. Proceduren tog bara 72 timmar från design till leverans, vilket var 80 % snabbare än tidigare metoder. Det möjliggjorde också verifiering av flera lösningar samtidigt.
3. Ett vanligt användningsfall är: Från avancerad-tillverkning till massproduktion inom flyg- och rymdområdet
LPBF har framgångsrikt använts för att tillverka formar för delar som behöver arbeta vid höga temperaturer och tryck, som motorförbränningskammare och turbinradiatorer. Till exempel använder Fraunhofer IGCV i Tyskland LPBF-demonstrationsdelar för raketmotorer. Exponeringsområdet för hög-temperatur är gjord av kopparlegering för att göra motorn mer energieffektiv, den lastbärande delen är gjord av hög-hållfast stål för att göra den mer tillförlitlig, och de externa kopparfenorna tjänar både kylande och stödjande funktioner. Dessa delar är 30 % lättare och 25 % mer tillförlitliga än traditionella motorer.
bilbranschen
LPBF ökar produktionseffektiviteten avsevärt vid tillverkning av viktiga formar, inklusive formgjutnings-formar och formsprutningsformar genom att optimera kylvattenkanaler och använda lätta konstruktioner. En formgjutningsform av magnesiumlegering- gjord av en leverantör av bildelar som använder LPBF håller i 200 000 cykler, vilket är tre gånger längre än traditionella formar. En fabrik för stötfångare använder höghastighetsteknik för pulverspridning för att påskynda processen att tillverka en enda uppsättning formar från 18 dagar till 11 dagar, vilket sparar 15 % av kostnaden.
Sjukvård och hemelektronik
LPBF är utmärkt för att göra små, exakta formar. Till exempel tillverkar en viss fabrik för 3C-produkter ramformar för mobiltelefoner med hjälp av μ-LPBF-teknik (utskriftsnoggrannhet på 2–5 μm), med en minimistorlek på 50 μm och en ytråhet på Ra<0.8 μm, which meets optical grade standards. A dental company uses LPBF to make personalized invisible appliance molds, and by optimizing the design of the topology, it improves the uniformity of orthodontic force distribution by 40% and raises the patient adaptation rate from 85% to 98%.
4. Branschtrend: Att kombinera teknik och återuppbygga miljön
Att göra strukturer med flera material och gradienter
LPBF kan göra heterogena eller gradientmaterialformar genom att hantera pulverförsörjningssystemet. Till exempel tillverkade ett visst företag en XY-riktningsgradientmaterialform som använder nickel-baserad legering i hög-temperaturzonen för att göra den värmebeständig- och kopparlegering i kylzonen för att göra den bättre på att leda värme. De mekaniska och termiska egenskaperna ger en sömlös övergång, och effektiviteten är 50 % högre än för vanliga flerskiktskompositformar.
Smart processförbättring och felhantering
LPBF kan förutsäga kvarvarande stress och deformation i realtid genom att använda både termiska mekaniska kopplingsmodeller och maskininlärningsmetoder. Till exempel modellerar Autodesks finita element-modell temperatur- och spänningsfälten som uppstår under laserskanning. Det håller de radiella och periferiska dragprestandavariationerna för turbinblad av titanlegering under 5 % och förlänger deras utmattningslivslängd med 30 %.
Grön tillverkning och cirkulär ekonomi
LPBF-material har en utnyttjandegrad på 90 %, vilket är 40 procentenheter högre än vanlig subtraktiv tillverkning. Ett företag har höjt pulveråtervinningsgraden till 85 % och sänkt kostnaden för en enda uppsättning formmaterial med 20 % genom att återanvända pulver som inte har smält och sålla det. LPBF uppfyller också gröna tillverkningsbestämmelser som EU:s "koldioxidtull" eftersom det inte släpper ut någon skärvätska och använder väldigt lite energi.