Quelles sont les applications de la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) dans la fabrication de moules ?

1. Principe technique : l'interaction entre le microcontrôle et la macro-mise en forme
L’essentiel de la technologie LPBF est de pouvoir manipuler le lit de poudre métallique de manière très précise. Il y a trois étapes dans le flux du processus :
Répartition de la poudre : le grattoir répartit uniformément la poudre métallique sur la plate-forme de formage, créant ainsi une couche de poudre de 20 à 100 μm d'épaisseur. La densité de la poudre est directement affectée par la taille des particules. Par exemple, la méthode des électrodes rotatives à plasma (PREP) produit une poudre de Ti-6Al-4V qui contient une faible quantité de poudre fine et qui s'écoule bien. La densité de la poudre peut atteindre 55 à 60 %, ce qui est bien meilleur que la procédure d'atomisation au gaz (GA).
Un faisceau laser à haute-énergie (100 - 1 000 W) balaye la couche de poudre le long d'un trajet spécifié, augmentant immédiatement la température locale au-dessus du point de fusion. Cela crée un bassin de fusion qui se solidifie rapidement. Vous pouvez modifier la puissance du laser (135 à 500 W), la vitesse de balayage (900 à 2 000 mm/s) et l'épaisseur de la couche (30 à 50 μm) pour obtenir la bonne taille pour le bain de fusion (50 à 150 μm de largeur, 10 à 50 μm de profondeur) et la vitesse de refroidissement (10 ⁴ à 10 ⁶ K/s). Cela améliorera la microstructure.
Empilage couche par couche : effectuez le cycle d'étalement et de fusion de la poudre encore et encore jusqu'à ce que vous obteniez une pièce solide-dimensionnelle. Cette procédure ne nécessite ni moules ni outils de coupe et permet de créer une « conception libre ». C'est particulièrement adapté aux structures avec lesquelles il est difficile de travailler avec des méthodes standard, comme les vides profonds, les formes irrégulières et les parois minces.
2. Le principal avantage est : Surmonter les quatre principaux problèmes liés à la fabrication de moules à l'ancienne-
Formage intégré de structures complexes
LPBF peut fabriquer des portions de moule qui doivent être traitées et assemblées séparément en utilisant des méthodes traditionnelles. Par exemple, une entreprise de pneumatiques a utilisé la technologie LPBF pour fabriquer des blocs-modèles de moules en caoutchouc. Cela a réduit le processus typique, qui prenait 12 étapes et 45 jours, à 12 jours pour une seule pièce et a doublé l'efficacité de la fabrication de plusieurs pièces à la fois. La durée de vie du moule a été multipliée par 200 000 et l’erreur d’assemblage a été réduite de 0,1 mm à 0,02 mm.
Améliorer le système de refroidissement conforme
LPBF peut créer un circuit d'eau de refroidissement à l'intérieur du moule qui épouse la forme du produit grâce à une conception d'optimisation topologique. Après avoir conçu un circuit d'eau conforme pour le moule d'injection d'une coque de climatisation dans une certaine entreprise d'électroménager, l'efficacité du refroidissement a augmenté de 42 %, le taux de gauchissement du produit a diminué de 67 % et un seul ensemble de moules a permis d'économiser plus de 120 000 yuans en coûts d'électricité chaque année.
Intégration légère et fonctionnelle
LPBF contribue à une conception légère, notamment au remplissage et à la construction de treillis. LPBF a fabriqué le support de batterie pour un certain véhicule à énergie nouvelle en alliage d'aluminium. Cela le rend 38 % plus léger et réussit un test de surcharge de 150 %, ce qui augmente l'autonomie de 8 %. Cette technique peut également combiner des modules fonctionnels tels que des capteurs et des éléments chauffants pour faire fonctionner ensemble les « équipements de moulage ».
Itération rapide et production adaptée à vos besoins
LPBF n'a pas besoin de préparation de moule et la modification de la conception nécessite simplement de changer le modèle numérique. Cela réduit le temps nécessaire pour entreprendre la recherche et le développement. Une entreprise médicale a utilisé LPBF pour fabriquer des moules d’implants orthopédiques sur mesure. La procédure n’a pris que 72 heures entre la conception et la livraison, ce qui était 80 % plus rapide que les méthodes précédentes. Cela a également permis de vérifier plusieurs solutions en même temps.
3. Un cas d'utilisation courant est le suivant : De-la fabrication haut de gamme à la production de masse dans le domaine aérospatial.
Le LPBF a été utilisé avec succès pour fabriquer des moules pour des pièces devant fonctionner à des températures et des pressions élevées, comme les chambres de combustion des moteurs et les radiateurs des turbines. Par exemple, le Fraunhofer IGCV en Allemagne utilise des pièces de démonstration de moteurs de fusée fabriquées par LPBF-. La zone d'exposition aux températures élevées-est en alliage de cuivre pour rendre le moteur plus économe en énergie, la partie porteuse-est en acier à haute résistance-pour le rendre plus fiable, et les ailettes externes en cuivre remplissent à la fois des fonctions de refroidissement et de support. Ces pièces sont 30 % plus légères et 25 % plus fiables que les moteurs traditionnels.
le business de l'automobile
LPBF augmente considérablement l'efficacité de la production dans la fabrication de moules essentiels, notamment les moules de coulée sous pression et les moules d'injection, en optimisant les canaux d'eau de refroidissement et en utilisant des conceptions légères. Un moule de moulage sous pression en alliage de magnésium-fabriqué par un fournisseur de pièces automobiles utilisant LPBF dure 200 000 cycles, soit trois fois plus longtemps que les moules traditionnels. Une usine de moules pour pare-chocs utilise une technologie d'épandage de poudre à grande vitesse-pour accélérer le processus de fabrication d'un seul jeu de moules de 18 jours à 11 jours, ce qui permet d'économiser 15 % du coût.
Santé et électronique grand public
LPBF est idéal pour fabriquer de petits moules précis. Par exemple, une certaine usine de moules de produits 3C fabrique des moules pour cadres de téléphones portables en utilisant la technologie μ-LPBF (précision d'impression de 2 à 5 μm), avec une taille minimale de 50 μm et une rugosité de surface de 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. Tendance de l'industrie : combiner les technologies et reconstruire l'environnement
Créer des structures avec plusieurs matériaux et dégradés
LPBF peut réaliser des moules en matériaux hétérogènes ou dégradés en gérant le système d'alimentation en poudre. Par exemple, une entreprise particulière a fabriqué un moule en matériau à gradient de direction XY qui utilise un alliage à base de nickel-dans la zone à haute-température pour le rendre résistant à la chaleur-et un alliage de cuivre dans la zone de refroidissement pour le rendre meilleur à conduire la chaleur. Les qualités mécaniques et thermiques permettent une transition fluide et l'efficacité est 50 % supérieure à celle des moules composites multicouches standards-.
Amélioration intelligente des processus et gestion des défauts
LPBF peut prédire les contraintes et déformations résiduelles en temps réel en utilisant à la fois des modèles de couplage thermomécanique et des méthodes d'apprentissage automatique. Par exemple, le modèle d'éléments finis d'Autodesk modélise les champs de température et de contrainte qui se produisent lors du balayage laser. Il maintient les variations de performances de traction radiales et circonférentielles des aubes de turbine en alliage de titane à moins de 5 % et prolonge leur durée de vie en fatigue de 30 %.
Fabrication verte et économie circulaire
Le matériau LPBF a un taux d'utilisation de 90 %, soit 40 points de pourcentage supérieur à la fabrication soustractive standard. Une entreprise a augmenté le taux de recyclage de la poudre à 85 % et a réduit de 20 % le coût d'un seul ensemble de matériaux de moulage en réutilisant la poudre qui n'a pas fondu et en la tamisant. LPBF répond également aux réglementations de fabrication verte, comme le « tarif carbone » de l'UE, car il ne libère aucun fluide de coupe et consomme très peu d'énergie.