Laser Powder Bed Melting (LPBF) นำไปใช้ในการผลิตแม่พิมพ์อย่างไร

1. หลักการทางเทคนิค: การทำงานร่วมกันระหว่างการควบคุมระดับไมโครและการสร้างมาโคร
ส่วนหลักของเทคโนโลยี LPBF คือความสามารถในการควบคุมเบดผงโลหะได้อย่างแม่นยำมาก มีสามขั้นตอนในผังกระบวนการ:
การเกลี่ยผง: เครื่องขูดจะกระจายผงโลหะให้ทั่วแท่นขึ้นรูปอย่างสม่ำเสมอ ทำให้เกิดชั้นของผงที่มีความหนา 20–100 μm ความหนาแน่นของผงได้รับผลกระทบโดยตรงจากขนาดของอนุภาค ตัวอย่างเช่น วิธีการอิเล็กโทรดหมุนด้วยพลาสมา (PREP) ทำให้ผง Ti-6Al-4V มีผงละเอียดในปริมาณต่ำและไหลได้ดี ความหนาแน่นของผงสามารถเข้าถึง 55%–60% ซึ่งดีกว่ากระบวนการทำให้เป็นอะตอมของแก๊ส (GA) มาก
ลำแสงเลเซอร์พลังงานสูง- (100-1000W) สแกนชั้นผงตามเส้นทางที่ระบุ ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิในพื้นที่สูงกว่าจุดหลอมเหลวทันที สิ่งนี้จะสร้างบ่อหลอมเหลวที่แข็งตัวอย่างรวดเร็ว คุณสามารถเปลี่ยนกำลังเลเซอร์ (135–500W) ความเร็วในการสแกน (900–2000 มม./วินาที) และความหนาของชั้น (30–50 μm) เพื่อให้ได้ขนาดที่เหมาะสมสำหรับบ่อหลอมเหลว (กว้าง 50–150 μm ลึก 10–50 μm) และอัตราการทำความเย็น (10 ⁴–10 ⁶ K/s) สิ่งนี้จะปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค
การวางซ้อนทีละชั้น: หมุนเวียนผงและละลายซ้ำแล้วซ้ำอีกจนกว่าคุณจะได้ส่วนที่เป็นของแข็งสามมิติ- ขั้นตอนนี้ไม่ต้องใช้แม่พิมพ์หรือเครื่องมือตัด และสามารถสร้าง "การออกแบบฟรี" ได้ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้างที่ใช้งานได้ยากโดยใช้วิธีมาตรฐาน เช่น ช่องว่างลึก รูปร่างไม่สม่ำเสมอ และผนังบาง
2. ประโยชน์หลักคือ: เอาชนะปัญหาหลักสี่ประการในการทำแม่พิมพ์ด้วยวิธีดั้งเดิม-
การบูรณาการโครงสร้างที่ซับซ้อน
LPBF สามารถสร้างส่วนของแม่พิมพ์ที่ต้องแปรรูปและประกอบแยกกันโดยใช้วิธีดั้งเดิม ตัวอย่างเช่น ธุรกิจยางรถยนต์แห่งหนึ่งใช้เทคโนโลยี LPBF เพื่อสร้างบล็อกลวดลายแม่พิมพ์ยาง วิธีนี้ช่วยลดขั้นตอนทั่วไปซึ่งใช้เวลา 12 ขั้นตอนและ 45 วันในการดำเนินการให้เสร็จสิ้น ลดลงเหลือ 12 วันสำหรับชิ้นส่วนเดียว และเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตชิ้นส่วนจำนวนมากในคราวเดียวเป็นสองเท่า อายุการใช้งานของแม่พิมพ์ดีขึ้นเป็น 200,000 เท่า และข้อผิดพลาดในการประกอบลดลงจาก 0.1 มม. เหลือ 0.02 มม.
ปรับปรุงระบบระบายความร้อนตามโครงสร้าง
LPBF สามารถสร้างวงจรน้ำหล่อเย็นภายในแม่พิมพ์ที่เหมาะกับรูปร่างของผลิตภัณฑ์โดยใช้การออกแบบโทโพโลยีให้เหมาะสมที่สุด หลังจากออกแบบวงจรน้ำที่สอดคล้องสำหรับแม่พิมพ์ฉีดของเปลือกเครื่องปรับอากาศในบริษัทเครื่องใช้ในครัวเรือนบางแห่ง ประสิทธิภาพการทำความเย็นเพิ่มขึ้น 42% อัตราการบิดเบี้ยวของผลิตภัณฑ์ลดลง 67% และแม่พิมพ์ชุดเดียวช่วยประหยัดค่าไฟฟ้าได้มากกว่า 120,000 หยวนในแต่ละปี
การบูรณาการที่มีน้ำหนักเบาและใช้งานได้จริง
LPBF ช่วยในการออกแบบน้ำหนักเบา รวมถึงการเติมตาข่ายและโครงสร้างตาข่าย LPBF ผลิตโครงยึดชุดแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์พลังงานใหม่บางรุ่นจากอะลูมิเนียมอัลลอยด์ ทำให้เบาขึ้น 38% และผ่านการทดสอบโอเวอร์โหลด 150% ซึ่งเพิ่มช่วงได้ 8% เทคนิคนี้ยังสามารถรวมโมดูลการทำงาน เช่น เซ็นเซอร์และองค์ประกอบความร้อนเข้าด้วยกัน เพื่อให้ "อุปกรณ์แม่พิมพ์" ทำงานร่วมกันได้
การวนซ้ำและการผลิตที่รวดเร็วซึ่งปรับให้เหมาะกับความต้องการของคุณ
LPBF ไม่จำเป็นต้องเตรียมแม่พิมพ์ และการเปลี่ยนแปลงการออกแบบเพียงแค่เปลี่ยนโมเดลดิจิทัลเท่านั้น ซึ่งจะช่วยลดเวลาที่ใช้ในการดำเนินการวิจัยและพัฒนา บริษัททางการแพทย์แห่งหนึ่งใช้ LPBF เพื่อสร้างแม่พิมพ์ปลูกถ่ายกระดูกและข้อตามสั่ง ขั้นตอนนี้ใช้เวลาเพียง 72 ชั่วโมงตั้งแต่การออกแบบไปจนถึงการส่งมอบ ซึ่งเร็วกว่าวิธีการก่อนหน้านี้ถึง 80% นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถตรวจสอบโซลูชันต่างๆ ได้ในเวลาเดียวกัน
3. กรณีการใช้งานทั่วไปคือ: ตั้งแต่การผลิตระดับสูง-ไปจนถึงการผลิตจำนวนมากในพื้นที่การบินและอวกาศ
LPBF ประสบความสำเร็จในการใช้สร้างแม่พิมพ์สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องทำงานที่อุณหภูมิและความดันสูง เช่น ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์และหม้อน้ำกังหัน ตัวอย่างเช่น Fraunhofer IGCV ในเยอรมนีใช้ชิ้นส่วนสาธิตเครื่องยนต์จรวดที่ผลิตโดย LPBF- พื้นที่เปิดรับอุณหภูมิสูง-ทำจากโลหะผสมทองแดงเพื่อให้เครื่องยนต์ประหยัดพลังงานมากขึ้น ส่วนรับน้ำหนัก-ทำจากเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง-เพื่อให้เชื่อถือได้มากขึ้น และครีบทองแดงภายนอกทำหน้าที่ทั้งทำความเย็นและรองรับ ชิ้นส่วนเหล่านี้เบากว่าเครื่องยนต์แบบเดิมถึง 30% และเชื่อถือได้มากกว่า 25%
ธุรกิจรถยนต์
LPBF เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตอย่างมากในการผลิตแม่พิมพ์ที่จำเป็น รวมถึงแม่พิมพ์-แม่พิมพ์หล่อและแม่พิมพ์ฉีดโดยการปรับช่องน้ำหล่อเย็นให้เหมาะสมและใช้การออกแบบที่มีน้ำหนักเบา แม่พิมพ์หล่อโลหะผสมแมกนีเซียม-ที่ผลิตโดยซัพพลายเออร์ชิ้นส่วนยานยนต์โดยใช้ LPBF มีอายุการใช้งาน 200,000 รอบ ซึ่งนานกว่าแม่พิมพ์ทั่วไปถึงสามเท่า โรงงานแม่พิมพ์กันชนใช้เทคโนโลยีการเกลี่ยสีฝุ่นความเร็วสูง-เพื่อเร่งกระบวนการสร้างแม่พิมพ์ชุดเดียวจาก 18 วันเป็น 11 วัน ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนได้ 15%
การดูแลสุขภาพและเครื่องใช้ไฟฟ้า
LPBF เหมาะสำหรับการผลิตแม่พิมพ์ขนาดเล็กและแม่นยำ ตัวอย่างเช่น โรงงานแม่พิมพ์ผลิตภัณฑ์ 3C บางแห่งผลิตแม่พิมพ์กรอบโทรศัพท์มือถือโดยใช้เทคโนโลยี μ-LPBF (ความแม่นยำในการพิมพ์ 2–5 μm) โดยมีขนาดคุณสมบัติขั้นต่ำ 50 μm และความขรุขระของพื้นผิว 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. แนวโน้มอุตสาหกรรม: การผสมผสานเทคโนโลยีและการสร้างสิ่งแวดล้อมใหม่
การสร้างโครงสร้างด้วยวัสดุและการไล่ระดับสีที่หลากหลาย
LPBF สามารถสร้างแม่พิมพ์วัสดุที่ต่างกันหรือแบบไล่ระดับได้โดยการจัดการระบบจ่ายผง ตัวอย่างเช่น บริษัทแห่งหนึ่งสร้างแม่พิมพ์วัสดุไล่ระดับทิศทาง XY ที่ใช้โลหะผสมนิกเกิล-ในโซนอุณหภูมิสูง-เพื่อให้ทนความร้อน- และใช้โลหะผสมทองแดงในเขตทำความเย็นเพื่อให้นำความร้อนได้ดีขึ้น คุณสมบัติทางกลและทางความร้อนทำให้เกิดการเปลี่ยนผ่านที่ราบรื่น และประสิทธิภาพสูงกว่าแม่พิมพ์คอมโพสิตหลายชั้น-มาตรฐานถึง 50%
การปรับปรุงกระบวนการอย่างชาญฉลาดและการจัดการข้อผิดพลาด
LPBF สามารถทำนายความเค้นตกค้างและการเสียรูปได้แบบเรียลไทม์โดยใช้ทั้งแบบจำลองการเชื่อมต่อทางกลความร้อนและวิธีการเรียนรู้ของเครื่องจักร ตัวอย่างเช่น โมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ของ Autodesk จำลองสนามอุณหภูมิและความเครียดที่เกิดขึ้นระหว่างการสแกนด้วยเลเซอร์ โดยจะรักษาความแปรปรวนของประสิทธิภาพแรงดึงในแนวรัศมีและเส้นรอบวงของใบพัดกังหันโลหะผสมไททาเนียมให้ต่ำกว่า 5% และยืดอายุความล้าได้ 30%
การผลิตสีเขียวและเศรษฐกิจหมุนเวียน
วัสดุ LPBF มีอัตราการใช้ 90% ซึ่งมากกว่าการผลิตแบบหักลบมาตรฐานถึง 40 เปอร์เซ็นต์ บริษัทแห่งหนึ่งได้เพิ่มอัตราการรีไซเคิลผงเป็น 85% และลดต้นทุนของวัสดุแม่พิมพ์ชุดเดียวลง 20% โดยการนำผงที่ยังไม่ละลายกลับมาใช้ใหม่และคัดกรอง LPBF ยังปฏิบัติตามกฎระเบียบด้านการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เช่น "อัตราภาษีคาร์บอน" ของสหภาพยุโรป เนื่องจากไม่ปล่อยน้ำมันตัดใดๆ และใช้พลังงานน้อยมาก