การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมโรงหล่อ

I.Overview ของอุตสาหกรรมโรงหล่อและการพัฒนาการพิมพ์ 3 มิติ

ในฐานะมูลนิธิอุตสาหกรรมอุตสาหกรรมโรงหล่อมีบทบาทสำคัญในการจัดหาส่วนประกอบโลหะสำหรับการผลิตเครื่องจักรยานยนต์การบินและอวกาศและภาคอื่น ๆ อย่างไรก็ตามโรงหล่อแบบดั้งเดิมเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญ: ชิ้นส่วนที่มีรูปทรงซับซ้อนนั้นยากและมีค่าใช้จ่ายสูงในการผลิตด้วยวิธีการทั่วไป การผลิตแม่พิมพ์เกี่ยวข้องกับเวลานำที่ยาวนานและต้นทุนสูง จำกัด การพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่และการผลิตแบทช์ขนาดเล็ก และประสิทธิภาพการผลิตพยายามดิ้นรนเพื่อตอบสนองความต้องการของตลาดที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกันเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่เกิดขึ้นตั้งแต่ปี 1980 ได้ครบกำหนดผ่านนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องและการขยายตัวของวัสดุ โดยการสะสมของวัสดุแบบเลเยอร์โดยชั้นตามข้อมูลโมเดล 3 มิติมันช่วยให้การออกแบบที่ซับซ้อนสูงโดยไม่ต้องมีแม่พิมพ์แบบดั้งเดิมที่ยอดเยี่ยมในการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วการผลิตแบทช์ขนาดเล็กและการปรับแต่ง ในยุคของการเปลี่ยนแปลงการผลิตที่ชาญฉลาดการรวมการพิมพ์ 3 มิติกับการดำเนินงานโรงหล่อมีศักยภาพในการเปลี่ยนแปลง: การเอาชนะข้อ จำกัด ดั้งเดิมผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพและการลดต้นทุนการขับเคลื่อนนวัตกรรมผลิตภัณฑ์สำหรับส่วนประกอบประสิทธิภาพสูงและการเร่งความทันสมัยของอุตสาหกรรม

ii. ฐานรากทางเทคนิค: การพิมพ์ 3 มิติกับหลักการโรงหล่อ

(一) เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่ครอบคลุม

1. หลักการหลักของกระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่สำคัญ

• การสร้างแบบจำลองการสะสมแบบหลอมรวม (FDM): ละลายเส้นใยเทอร์โมพลาสติกผ่านหัวฉีดอุ่นชั้นวางชั้นตามรูปทรงเรขาคณิตส่วน ใช้กันทั่วไปสำหรับต้นแบบพลาสติกแบบง่ายเช่นของเล่นและของใช้ในครัวเรือน

• Stereolithography (SLA): ใช้แสงอัลตราไวโอเลตเพื่อรักษาเลเยอร์เรซินของเหลวของเหลวด้วยเลเยอร์ เหมาะสำหรับรูปแบบการหล่อเครื่องประดับและต้นแบบเครื่องมือที่มีความแม่นยำสูง

• การคัดเลือกเลเซอร์ซินเทอร์ (SLS): ใช้ลำแสงเลเซอร์/อิเล็กตรอนไปยังโลหะซินเตอร์/ผงเซรามิก/พลาสติกเป็นส่วนที่เป็นของแข็ง ใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศเพื่อผลิตส่วนประกอบโลหะที่ซับซ้อนเช่นชิ้นส่วนเครื่องยนต์

(二) กระบวนการโรงหล่อแบบดั้งเดิม

1. เทคนิค Foundry Key

• การหล่อทราย: สร้างโพรงแม่พิมพ์โดยใช้รูปแบบเทโลหะหลอมเหลวและกำจัดทรายหลังจากการทำให้แข็งตัว ตัวอย่าง: การผลิตบล็อกเครื่องยนต์รถยนต์

• การคัดเลือกนักลงทุน: รูปแบบเปลือกเซรามิกรอบ ๆ รูปแบบขี้ผึ้งละลายขี้ผึ้งและเติมด้วยโลหะ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับใบพัดกังหันการบินและอวกาศที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน

• การ จำกัด การพึ่งพาแม่พิมพ์ความยืดหยุ่นในการออกแบบช่องทาง/แกนภายใน

• เวลานำแม่พิมพ์ยาว (สัปดาห์ถึงเดือน) จำกัด การเปิดตัวผลิตภัณฑ์ใหม่

• ต้นทุนคงที่สูงทำให้การผลิตแบบชุดเล็กไม่ประหยัด

iii. นวัตกรรมแอปพลิเคชัน: การพิมพ์ 3 มิติแปลงเวิร์กโฟลว์ Foundry

(一) การปฏิวัติการผลิตแม่พิมพ์

1. กระบวนการและข้อดี

• การพิมพ์โลหะโดยตรง (SLS) หรือการหล่อต้นแบบพลาสติก (FDM) ช่วยลดเวลานำของแม่พิมพ์อย่างมีนัยสำคัญจากสัปดาห์เป็นวัน

• เปิดใช้งานช่องระบายความร้อนที่ซับซ้อนและการออกแบบที่เป็นไปไม่ได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม

• ผู้ผลิตแม่พิมพ์ยานยนต์จีนลดเวลาการส่งมอบสำหรับแม่พิมพ์ล้อจาก 4 สัปดาห์เป็น 7 วันโดยใช้การพิมพ์โลหะ 3 มิติซึ่งได้รับการลดข้อบกพร่อง 15%

(二) การผลิตสารเติมแต่งแม่พิมพ์ทราย/แกนกลาง

1. รายละเอียดเทคโนโลยี

• กระบวนการ jetting binder ที่มีทรายเคลือบสร้างแม่พิมพ์/แกนที่มีความแม่นยำสำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน

• ตัวอย่าง: แกนหัวของเครื่องยนต์ที่มีข้อความระบายความร้อนในตัว

• ± 0.1 มม. ความแม่นยำมิติช่วยลดข้อกำหนดการตัดเฉือน

• ความพรุนที่ปรับแต่งได้ช่วยลดข้อบกพร่องในการหล่อเช่นการกักแก๊ส

• แกนทรายที่พิมพ์ 3D ช่วยให้สามารถผลิตหัวฉีดเชื้อเพลิงเครื่องยนต์อากาศยานพร้อมช่องทางภายในที่ราบรื่นปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง 8%

(三) การพิมพ์ 3 มิติโลหะโดยตรง

1. พารามิเตอร์กระบวนการ

• เลเซอร์ผงฟิวชั่นฟิวชั่น (LPBF) ภายใต้สภาพแวดล้อมก๊าซเฉื่อยต้องการการควบคุมพลังงานเลเซอร์ที่แม่นยำ (200-500W) ความเร็วการสแกน (500-2000 มม./วินาที) และความหนาของชั้น (20-100μm)

• ผลิตส่วนประกอบโลหะผสมไทเทเนียมตาข่ายที่มีประสิทธิภาพของวัสดุ 90%

• ช่วยให้โครงสร้างขัดแตะลดน้ำหนักได้ 20% สำหรับการใช้งานการบินและอวกาศ

• การปลูกถ่ายสะโพกที่กำหนดเองพร้อมพื้นผิวที่มีรูพรุนสำหรับ osseointegration

• ห้องเผาไหม้สำหรับเครื่องยนต์เจ็ทรุ่นต่อไปที่มีความต้านทานต่อความร้อนที่ดีขึ้น

iv. ผลกระทบการเปลี่ยนแปลง: พลังการพิมพ์ 3 มิติวิวัฒนาการของโรงหล่อโรงหล่อ

(一) การเพิ่มประสิทธิภาพ

1. ประหยัดเวลา

• วงจรการออกแบบแม่พิมพ์สู่การผลิตลดลงจาก 8 สัปดาห์เป็น 2 สัปดาห์ในการหล่อยานยนต์

• การผลิตบล็อกเครื่องยนต์มอเตอร์ไซค์ลดเวลาจาก 10 สัปดาห์ถึง 3 สัปดาห์ผ่านการพิมพ์ 3 มิติทราย

• วงจรการผลิตใบมีดและอวกาศลดลง 67% โดยใช้การพิมพ์โลหะโดยตรง

(二) การเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน

1. การลดต้นทุนแม่พิมพ์

• การประหยัดต้นทุน 90% สำหรับเครื่องมือชุดขนาดเล็ก (เช่น $ 5,000 เทียบกับ $ 50,000 สำหรับแม่พิมพ์โลหะ)

• การใช้งานโลหะผสมไทเทเนียมลดลงจากของเสีย 60% ในการหล่อแบบดั้งเดิมเป็น 10% ในการพิมพ์ 3 มิติประหยัด $ 2.5 ล้านต่อปีสำหรับ 1,000 ส่วน

(三) การก้าวกระโดดคุณภาพและนวัตกรรม

1. การปรับปรุงประสิทธิภาพ

• ความต้านทานอุณหภูมิของห้องเผาไหม้เพิ่มขึ้น 15% ผ่านช่องระบายความร้อนที่ดีที่สุด

• ส่วนประกอบช่วงล่างยานยนต์น้ำหนักลดลง 12% ด้วยโครงสร้างขัดแตะ

• ± 0.05 มม. การทำซ้ำมิติในแม่พิมพ์ที่พิมพ์ 3 มิติช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสม่ำเสมอของชุด

• การละลายของลำแสงอิเล็กตรอนบรรลุความหนาแน่นของวัสดุ 99.9% สำหรับชิ้นส่วนการบินและอวกาศที่สำคัญ