Да ли тврдоћа металних калупа за 3Д штампање може да испуни захтеве за производњу високе{1}}врсте?

1. Одабир правог материјала: Доњи носач од металног праха високе жилавости
Сам материјал одређује колико су тврди метални калупи за 3Д штампање. Алатни челик, нерђајући челик, тврде легуре и специјалне легуре су тренутно најчешћи материјали за калупе за 3Д штампање. Имају опсег тврдоће од ХРЦ 20 до 70, што значи да се могу користити у различитим ситуацијама.
Алатни челик, попут Х13 и А2, након термичке обраде има тврдоћу од ХРЦ 40–60. Робустан је и отпоран на хабање, што га чини добрим за ситуације високог{5}}напрезања као што су калупи за ливење под притиском- и калупи за топло ковање. На пример, компанија која производи аутомобилске делове користи 3Д штампане челичне калупе Х13 који су тврди ХРЦ 52 након термичке обраде. Ови калупи раде једнако добро као и традиционални калупи за ковање и трају три пута дуже.
Нерђајући челик 316Л има тврдоћу од око ХРЦ 20–30, али подешавањем подешавања штампања и накнадном{3}}обрадом, његова тврдоћа се може подићи на преко ХРЦ 40 док је и даље веома отпоран на корозију. То га чини добрим за подручја где је хигијена веома важна, као што су паковање хране и медицински уређаји.
Тврда легура: ВЦ Цо (волфрам карбид кобалт) је типичан материјал за ситуације екстремног хабања као што су матрице за пробијање и извлачење. Има тврдоћу до ХРЦ 55–70 и више је од 10 пута отпорнији на хабање-од алатног челика. Одређена компанија која производи електричне делове користи 3Д-штампане калупе од јаке легуре да удвостручи фреквенцију штанцања, са 500.000 пута на 2 милиона пута.
3D printing can make fine-grained structures in special alloys like Inconel 718 nickel-based alloy. These structures are 20% harder than those made by traditional casting. They also stay strong at high temperatures (strength retention rate>90% на 650 степени), због чега се много користе у калупима за турбинске дискове авионских мотора.
2. Оптимизација процеса: прецизна контрола од "штампања" до "формирања"
Тврдоћа метала За 3Д штампање је важно не само материјал, већ и тачно управљање параметрима процеса. На пример, технологија селективног ласерског топљења (СЛМ) повећава тврдоћу оптимизовањем следећих важних параметара:
Control of energy density: The quality of the molten pool is directly affected by the strength of the laser, the speed of the scan, and the size of the spot. When the energy density is low, the material may become more porous (15% less hard when>1%), а када је висока, може да пукне. Студија показује да при штампању нерђајућег челика 316Л са снагом ласера ​​од 150В и брзином скенирања од 800мм/с, порозност остаје испод 0,3%, а тврдоћа достиже ХРЦ 38, што је скоро исто као и код отковака.
Снага међуслојног везивања: Јака металуршка веза између слојева може се направити променом процедура скенирања (као што је скенирање шаховске табле и скенирање острва) и дебљине слоја (20–50 μм). На пример, одређени ваздухопловни бизнис штампа калупе са лопатицама турбине Ти6Ал4В са дебљином слоја од 30 μм и чврстоћом међуслојног везивања од 450 МПа, што је 20% јаче од претходних метода.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 степена/с) може створити фино-зрнасту структуру (попут мартензита) која чини материјал много тврђим. Користећи Л-ПБФ технологију, тим Градског универзитета у Хонг Конгу штампао је легуру Ал Мг Мн Сц Зр. Користили су нано твин механизам за јачање да би подигли границу течења на 656 МПа док су задржали дуктилност на 12%.
3. Технологија накнадне{1}}обраде: последњи корак у побољшању тврдоће
3Д штампање није крај; Технологија накнадне{1}}обраде је најважнији део очвршћавања калупа.
Термичка обрада: промена структуре решетке жарењем, гашењем или старењем. На пример, након одлежавања на 480 степени, тврдоћа 3Д штампаног 18Ни300 мартензитног челичног калупа за старење је порасла са ХРЦ 38 на ХРЦ 52. Ово је ослободило заосталог напрезања и смањило вероватноћу да ће се разбити.
Да бисте површину учинили тврђом, можете користити пјеначење, нитрирање или ласерско облагање. Одређени произвођач калупа за ливење под притиском{1}} користио је бризгање за 3Д штампање челичних калупа Х13. Ово је учинило површину тврђом (са ХРЦ 50 на ХРЦ 58) и учинило их 40% отпорнијим на хабање.
Вруће изостатичко пресовање (ХИП): Коришћење високог притиска (100–200 МПа) и високе температуре (900–1200 степени) да би се отарасиле унутрашње поре и добила густина материјала близу 100%. Инцонел 718 калуп који је третиран ХИП-ом је 30% тврђи и траје пет пута дуже од калупа који није третиран.
4. Употреба у индустрији: тестирање од лабораторије до производне линије
Предност тврдоће металних калупа за 3Д штампање је потврђена у неколико области:
ГЕ Авиатион користи 3Д-штампане Инцонел 718 калупе за млазнице за гориво са тврдоћом од ХРЦ 45. Ови калупи су 15% лакши од стандардних одливака и могу да поднесу високе температуре и притиске.
Израда аутомобила: БМВ група прави блокове мотора од алуминијумске легуре користећи челичне калупе и алате за 3Д штампање. Тврдоћа калупа је ХРЦ 50 и траје више од 100.000 пута, што снижава цену сваког комада за 40%.
Јохнсон & Јохнсон користи 3Д-штампане ортопедске калупе за имплантате од легуре кобалт хрома који су тврди ХРЦ 60 и Ра<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.