金属 3D プリントは金型製造におけるスクラップ率を減らすことができますか?

一、従来の金型製作における廃棄物の問題: 材料の無駄と効率の低下という二重の問題
従来の金型製作では「サブトラクティブプロセス」アプローチが使用されます。これは、目的の形状に達するまで、旋削、フライス削り、平削り、研削などの一連のステップを通じて材料がゆっくりと除去されることを意味します。このプロセス パスには 3 つの重要な構造的問題があります。
材料の使用率が低い: たとえば、自動車エンジンのシリンダー ヘッド用のダイカスト金型を作成する場合、一般的な方法では鋼のインゴット全体を金型に加工する必要があり、これにより材料の最大 70% が失われる可能性があります。ある企業の数字に基づくと、その金型工場では年間 1200 トンの鋼材が使用されています。そのうち 840 トンがゴミとなり、有用物として生まれ変わるのはわずか 360 トンです。
原材料の準備から最終製品の提供までには12〜15のステップがかかります。 1セットの型を作るのに2～3ヶ月かかる場合もあります。特定の新エネルギー車会社のバッテリーパック金型開発プロジェクトが、何度もやり直しを余儀なくされたため、8か月延期された。これにより同社は2000万元以上の費用がかかった。
難しい構造上の制限: 従来の方法を使用して、コンフォーマルな冷却チャネルや軽量の格子構造などの複雑な特性を備えた金型を作成するのは困難です。あるタイヤ ビジネスでは、パターン ブロックの型を作成するために、タイヤ全体を 20 以上のセクションに分割し、それぞれを個別に作業してから組み立てる必要があります。これにより、廃棄率が高くなるだけでなく、金型の精度も低下します。
2、金属3Dプリンティングの躍進：「減法」から「加法」へのパラダイムシフト
金属 3D プリントでは、金属粉末やワイヤーを積み重ねることによって 3 次元オブジェクトを構築します。これは、通常のやり方とはまったく逆です。-また、廃棄物管理における 3 つの主な利点も示しています。
1. 材料使用率の大幅な上昇: 30% から 90% へ
金型のキャビティや冷却管などの複雑な構造を手作業で作成する場合、多くの加工代が必要となり、多くの材料が無駄になります。. 3D プリント テクノロジーは CAD モデルを使用した製造を直接推進し、部品自体と同量の材料のみを使用します。ある企業は、SLM テクノロジーを使用して、標準的な方法で使用される材料の 35% の代わりに 92% を使用するアルミニウム合金の電気駆動シェル型を製造しました。これにより、金型セットごとに 180 キログラムのアルミニウム合金材料が節約されます。
さらに重要なことは、3D プリントにより「トポロジー最適化」設計が可能になり、強度を維持しながら使用する材料を削減できることです。ある航空会社は、トポロジーの最適化を使用して、同じ性能を維持しながら 30% 軽量で、使用する材料を 45% 削減したチタン合金の翼支持型を作成しました。
2. 複雑な構造を作成する能力: 根本的な無駄の発生源を取り除く
無駄を削減するための 3D プリンティングの一般的な使用例は、従来の方法では扱いが難しいコンフォーマル冷却チャネルです。製品の形状に完全にフィットするスパイラルおよび生体模倣樹枝状冷却チャネルを金型内に構築することで、冷却効率を 3 倍以上高めることができます。ある会社は、新エネルギー車のバッテリートレイ用のダイカスト金型を製造しました。- 3D プリントされたコンフォーマル水回路を使用することで、冷却サイクルが 45 秒から 18 秒に短縮され、製品認定率が 92% から 99.5% に向上し、試作金型の数を削減することで 12 トンの鉄鋼廃棄物が節約されます。
3D プリントによる格子構造の作成能力は、軽量設計の分野でも重要です。ある会社が電動工具用の射出成形金型を作りました。重量のかからない部分を中空の六角格子構造にすることで、金型の重量を25％削減、材料使用量を30％削減し、熱量が少なくなるため冷却時間も15％削減しました。
3. 迅速な繰り返し検証：試作時のゴミ発生量を削減
従来の金型を作るには、数回の試作修正サイクルを経る必要があり、試作のたびに大量の廃棄物が発生します。ある自動車会社は、新しい車種の新しいダッシュボード金型の開発に取り組んでいましたが、設計上の欠陥のため、最初の 3 ラウンドの試作金型を廃棄する必要がありました。これにより45トンの廃棄物が発生しました。 3D プリンティング技術を使用すると、「デザインの印刷テスト」サイクルを迅速に行うことができます。ある企業がこの技術を使い始めてから、金型の作成サイクルは 6 か月から 6 週間に短縮され、金型の試行回数は 5 回から 2 回に増え、廃棄率は 70% 減少しました。
3、技術の進歩と業界間の協力：3Dプリンティング廃棄物管理の開発を加速する
3D プリンティングは廃棄物管理に大きな期待を寄せていますが、大規模に使用するには次の 3 つの大きな問題を克服する必要があります。
材料の革新: 安価で効果の高い特殊な粉末材料を作ることが重要です。ある企業は、ナノタングステンカーバイド強化H13鋼粉末を製造し、靭性を維持しながら金型をより硬く（HRC 60）しました。これにより輸入品に比べて材料価格を40％削減しました。
プロセスの標準化: 印刷パラメータの単一ライブラリと品質管理システムをセットアップすることが非常に重要です。ある企業は、Metal+ の初期段階で自動サポート生成プログラムを作成しました。これにより、サポート材料の使用量を 35% 削減し、粉末回収率を 98% に高めることができます。-
産業チェーンにおけるコラボレーション: 機器メーカー、材料サプライヤー、金型メーカーは協力して、「ハードウェア、材料、サービス」を含む完全なソリューションを作成する必要があります。ある企業が成形サイズ400mm×600mm×500mmのUM600MT装置をリリースしました。このサイズは、巨大な車の金型を印刷するのに十分な大きさです。それをサポートするプロセス データベースには、よく使用される 200 以上の材料特性が含まれています。