金属 3D プリント金型の硬度は、高強度製品の要件を満たすことができますか?-

1. 適切な材料の選択: 靭性の高い金属粉末で作られた底部サポート
金属 3D プリント金型の硬さは材料自体によって決まります。工具鋼、ステンレス鋼、超硬合金、特殊合金は、現在 3D プリント金型に最も一般的な材料です。硬度もHRC20～70と幅広い用途に対応可能です。
H13 や A2 などの工具鋼は、熱処理後の硬度が HRC 40 ～ 60 になります。堅牢で耐摩耗性があるため、ダイカスト金型や熱間鍛造金型などの高応力の状況に適しています。{{5}{6}}たとえば、自動車部品を製造する会社では、熱処理後の硬度が HRC 52 になる 3D プリントされた H13 鋼製金型を使用しています。これらの金型は従来の鍛造金型と同様に機能し、3 倍長持ちします。
316L ステンレス鋼の硬度は約 HRC 20～30 ですが、印刷設定と後処理を調整することで、耐腐食性を維持しながら硬度を HRC 40 以上に高めることができます。-そのため、食品包装や医療機器など、衛生状態が非常に重要な分野に適しています。
超硬合金: WC Co (タングステンカーバイドコバルト) は、打ち抜きダイや絞りダイなどの極度の摩耗状況に適した一般的な材料です。硬度は HRC 55～70 で、工具鋼の 10 倍以上の耐摩耗性があります。-電気部品を製造するある会社は、3D プリントされた強力な合金金型を採用し、打ち抜き回数を 50 万回から 200 万回に倍増しました。{7}}
3D printing can make fine-grained structures in special alloys like Inconel 718 nickel-based alloy. These structures are 20% harder than those made by traditional casting. They also stay strong at high temperatures (strength retention rate>650 度で 90% )、そのため航空エンジンのタービン ディスクの金型に多く使用されています。
2. プロセスの最適化：「印刷」から「成形」までを精密に制御
金属の硬度 3D プリンティングでは、材料だけでなくプロセス パラメーターの正確な管理も重要です。たとえば、選択的レーザー溶解 (SLM) テクノロジーは、次の重要なパラメータを最適化することで硬度を高めます。
Control of energy density: The quality of the molten pool is directly affected by the strength of the laser, the speed of the scan, and the size of the spot. When the energy density is low, the material may become more porous (15% less hard when>1%）、それが高いとクラックが入る可能性があります。研究によると、150Wのレーザー出力と800mm/秒のスキャン速度で316Lステンレス鋼を印刷すると、気孔率は0.3%未満にとどまり、硬度は鍛造品とほぼ同じHRC 38に達します。
層間結合強度: スキャン手順 (チェッカーボードスキャンやアイランドスキャンなど) と層の厚さ (20 ～ 50 μ m) を変更することで、層間の強力な冶金的結合を実現できます。たとえば、ある航空会社では、層厚 30 μm、層間接着強度 450MPa の Ti6Al4V タービンブレード金型を印刷しています。これは、従来の方法より 20% 強度が高くなります。
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 度 /s) により、材料をより硬くする細粒構造 (マルテンサイトなど) が生成される可能性があります。-香港城市大学のチームは、L-PBF テクノロジーを使用して、Al Mg Mn Sc Zr 合金を印刷しました。彼らはナノツイン強化メカニズムを使用して、延性を 12% に保ちながら降伏強度を 656MPa まで高めました。
3.-後処理技術: 硬度を向上させる最後のステップ
3D プリントは終わりではありません。後処理技術は、金型をより硬くする上で最も重要な部分です。-
熱処理: 焼きなまし、焼き入れ、または時効によって格子構造を変化させます。たとえば、480 度で時効処理した後、3D プリントした 18Ni300 マルテンサイト時効鋼金型の硬度は HRC 38 から HRC 52 になりました。これにより残留応力が除去され、割れにくくなりました。
表面を硬くするには、ショットピーニング、窒化、またはレーザークラッディングを使用できます。あるダイカスト金型メーカーは、ショット ピーニングを使用して H13 鋼金型を 3D プリントしました。-これにより、表面が硬くなり (HRC 50 から HRC 58)、耐摩耗性が 40% 向上しました。
熱間静水圧プレス (HIP): 高圧 (100 ～ 200 MPa) と高温 (900 ～ 1200 度) を使用して内部細孔を除去し、材料密度を 100% に近づけます。 HIP 処理されたインコネル 718 モールドは、処理されなかったモールドより 30% 硬く、5 倍長持ちします。
4. 産業用途: 実験室から製造ラインまでのテスト
金属 3D プリント金型の硬度の利点は、いくつかの分野で確認されています。
GE アビエーションは、硬度 HRC 45 の 3D プリントされたインコネル 718 燃料ノズル金型を使用しています。これらの金型は標準の鋳造品より 15% 軽量で、高温と高圧に耐えることができます。
自動車の製造: BMW グループは、鋼製金型と 3D プリント ツールを使用して、アルミニウム合金のエンジン シリンダー ブロックを製造しています。金型硬度は HRC 50 で、耐久性は 10 万回を超え、1 個あたりのコストが 40% 削減されます。
ジョンソン・エンド・ジョンソンは、HRC 60 の硬度と Ra の 3D プリントされたコバルト クロム合金の整形外科用インプラントの型を採用しています-<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.