ما هي تطبيقات ذوبان طبقة المسحوق بالليزر (LPBF) في تصنيع القوالب؟

1. المبدأ التقني: التفاعل بين التحكم الجزئي والتشكيل الكلي
الجزء الرئيسي من تقنية LPBF هو القدرة على التعامل مع طبقة المسحوق المعدنية بدقة شديدة. هناك ثلاث خطوات في تدفق العملية:
توزيع المسحوق: تقوم الكاشطة بتوزيع المسحوق المعدني بالتساوي على منصة التشكيل، مما يؤدي إلى تكوين طبقة من المسحوق بسمك 20-100 ميكرومتر. تتأثر كثافة المسحوق بشكل مباشر بحجم الجزيئات. على سبيل المثال، طريقة قطب البلازما الدوار (PREP) تصنع مسحوق Ti-6Al-4V الذي يحتوي على كمية منخفضة من المسحوق الناعم ويتدفق بشكل جيد. يمكن أن تصل كثافة المسحوق إلى 55%-60%، وهو أفضل بكثير من إجراء ترذيذ الغاز (GA).
يقوم شعاع ليزر عالي الطاقة -(100-1000 واط) بمسح طبقة المسحوق على طول مسار محدد، مما يؤدي إلى رفع درجة الحرارة المحلية فوق نقطة الانصهار على الفور. وهذا يخلق بركة منصهرة تتجمد بسرعة. يمكنك تغيير قوة الليزر (135-500 واط)، وسرعة المسح (900-2000 مم/ثانية)، وسمك الطبقة (30-50 ميكرومتر) للحصول على الحجم المناسب لحوض الذوبان (عرض 50-150 ميكرومتر، وعمق 10-50 ميكرومتر) ومعدل التبريد (10 ⁴–10 ⁶ ك/ث). سيؤدي ذلك إلى تحسين البنية المجهرية.
تكديس طبقة تلو الأخرى: قم بإجراء دورة نشر المسحوق والذوبان مرارًا وتكرارًا حتى تحصل على جزء صلب -ثلاثي الأبعاد. لا يحتاج هذا الإجراء إلى قوالب أو أدوات قطع، ويمكنه إنشاء "تصميم مجاني". إنه جيد بشكل خاص للهياكل التي يصعب العمل بها باستخدام الطرق القياسية، مثل الفراغات العميقة والأشكال غير المنتظمة والجدران الرقيقة.
2. الفائدة الرئيسية هي: التغلب على المشكلات الأربع الرئيسية في صنع القوالب بالطريقة-القديمة
التشكيل المتكامل للهياكل المعقدة
يمكن لـ LPBF تصنيع أجزاء القالب التي تحتاج إلى معالجة وتجميعها بشكل منفصل باستخدام الطرق التقليدية. على سبيل المثال، استخدمت إحدى شركات الإطارات تقنية LPBF لتصنيع قوالب قوالب مطاطية. أدى هذا إلى خفض العملية النموذجية، التي كانت تستغرق 12 خطوة و45 يومًا لإكمالها، إلى 12 يومًا للقطعة الواحدة ومضاعفة كفاءة صنع أجزاء متعددة في وقت واحد. تم تحسين عمر القالب إلى 200,000 مرة، وتم تقليل خطأ التجميع من 0.1 مم إلى 0.02 مم.
تحسين نظام التبريد المطابق
يمكن لـ LPBF إنشاء دائرة مياه تبريد داخل القالب التي تناسب شكل المنتج باستخدام التصميم الأمثل للطوبولوجيا. بعد تصميم دائرة مياه متوافقة لقالب الحقن لغلاف تكييف الهواء في شركة معينة للأجهزة المنزلية، ارتفعت كفاءة التبريد بنسبة 42%، وانخفض معدل التزييف المنتج بنسبة 67%، ووفرت مجموعة واحدة من القوالب أكثر من 120000 يوان من تكاليف الكهرباء كل عام.
تكامل خفيف الوزن وعملي
يساعد LPBF في التصميم خفيف الوزن، بما في ذلك تعبئة الشبكة وبناء الشبكة. قامت شركة LPBF بتصنيع دعامة حزمة البطارية لمركبة طاقة جديدة معينة من سبائك الألومنيوم. وهذا يجعلها أخف بنسبة 38% وتجتاز اختبار التحميل الزائد بنسبة 150%، مما يزيد النطاق بنسبة 8%. يمكن لهذه التقنية أيضًا الجمع بين الوحدات الوظيفية مثل أجهزة الاستشعار وعناصر التسخين لجعل "معدات القالب" تعمل معًا.
التكرار السريع والإنتاج المصمم خصيصًا لتلبية احتياجاتك
لا يحتاج LPBF إلى تحضير القالب، وتغيير التصميم يتطلب فقط تغيير النموذج الرقمي. وهذا يقلل من الوقت الذي يستغرقه إجراء البحث والتطوير. استخدمت إحدى الشركات الطبية LPBF لتصنيع قوالب مخصصة لزراعة العظام. استغرق الإجراء 72 ساعة فقط منذ التصميم وحتى التسليم، وهو أسرع بنسبة 80% من الطرق السابقة. كما سمح بالتحقق من عدة حلول في نفس الوقت.
3. حالة الاستخدام الشائعة هي: من التصنيع-المتطور إلى الإنتاج الضخم في مجال الطيران
تم استخدام LPBF بنجاح في صنع قوالب للأجزاء التي تحتاج إلى العمل في درجات حرارة وضغوط عالية، مثل غرف احتراق المحرك ومشعات التوربينات. على سبيل المثال، يستخدم Fraunhofer IGCV في ألمانيا أجزاء العرض التوضيحي لمحرك الصواريخ المصنوعة من LPBF-. منطقة التعرض لدرجة الحرارة العالية- مصنوعة من سبائك النحاس لجعل المحرك أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، والجزء المحمل للحمل - مصنوع من الفولاذ عالي القوة- لجعله أكثر موثوقية، وتخدم الزعانف النحاسية الخارجية وظيفتي التبريد والدعم. هذه الأجزاء أخف بنسبة 30% وأكثر موثوقية بنسبة 25% من المحركات التقليدية.
أعمال السيارات
يعمل LPBF على زيادة كفاءة الإنتاج بشكل كبير في صناعة القوالب الأساسية بما في ذلك-قوالب الصب وقوالب الحقن عن طريق تحسين قنوات مياه التبريد واستخدام تصميمات خفيفة الوزن. قالب صب سبائك المغنيسيوم-الذي يصنعه أحد موردي قطع غيار السيارات باستخدام LPBF يدوم لمدة 200000 دورة، وهي أطول بثلاث مرات من القوالب التقليدية. يستخدم مصنع قوالب الصدمات تقنية نشر المسحوق عالية السرعة- لتسريع عملية صنع مجموعة واحدة من القوالب من 18 يومًا إلى 11 يومًا، مما يوفر 15% من التكلفة.
الرعاية الصحية والإلكترونيات الاستهلاكية
يعتبر LPBF رائعًا لصنع قوالب صغيرة ودقيقة. على سبيل المثال، يقوم أحد مصانع قوالب منتجات 3C بتصنيع قوالب إطار الهاتف المحمول باستخدام تقنية μ-LPBF (دقة طباعة تتراوح من 2 إلى 5 ميكرومتر)، مع حد أدنى لحجم الميزة يبلغ 50 ميكرومتر وخشونة سطح تبلغ 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. اتجاه الصناعة: الجمع بين التقنيات وإعادة بناء البيئة
صنع الهياكل بمواد وتدرجات متعددة
يمكن لـ LPBF تصنيع قوالب مواد غير متجانسة أو متدرجة عن طريق إدارة نظام إمداد المسحوق. على سبيل المثال، قامت شركة معينة بتصنيع قالب مادة متدرج الاتجاه XY يستخدم سبيكة قائمة على النيكل-في منطقة درجة الحرارة المرتفعة-لجعلها مقاومة للحرارة-وسبائك النحاس في منطقة التبريد لجعلها أفضل في توصيل الحرارة. تعمل الخصائص الميكانيكية والحرارية على تحقيق انتقال سلس، كما أن الكفاءة أعلى بنسبة 50% من تلك الخاصة بالقوالب المركبة القياسية متعددة الطبقات-.
تحسين العمليات الذكية وإدارة الأخطاء
يمكن لـ LPBF التنبؤ بالإجهاد والتشوه المتبقيين في الوقت الفعلي باستخدام نماذج الاقتران الميكانيكية الحرارية وطرق التعلم الآلي. على سبيل المثال، يقوم نموذج العناصر المحدودة من Autodesk بنمذجة مجالات درجة الحرارة والضغط التي تحدث أثناء المسح بالليزر. فهو يحافظ على تباينات أداء الشد الشعاعي والمحيطي لشفرات توربينات سبائك التيتانيوم أقل من 5% ويطيل عمر الكلال بنسبة 30%.
التصنيع الأخضر والاقتصاد الدائري
تتمتع مادة LPBF بمعدل استخدام يبلغ 90%، وهو ما يزيد بنسبة 40 نقطة مئوية عن التصنيع الطرحي القياسي. قامت إحدى الشركات برفع معدل إعادة تدوير المسحوق إلى 85% وخفض تكلفة مجموعة واحدة من مواد القالب بنسبة 20% عن طريق إعادة استخدام المسحوق الذي لم يذوب وغربلته. يفي LPBF أيضًا بلوائح التصنيع الخضراء مثل "تعريفة الكربون" في الاتحاد الأوروبي لأنه لا يطلق أي سائل قطع ويستخدم القليل جدًا من الطاقة.