Как Dmls трансформирует производство толинга и смеси в производстве

Что такое технология DMLS?

Прямой лазерный спекание металла (DMLS) является передовым процессом аддитивного производства, который использует мощный лазер для избирательного слияния частиц металлического порошка слой за слоем в твердые, плотные металлические компоненты. В отличие от традиционных субтрактивных методов, таких как обработка с ЧПУ, которая удаляет материал из твердого блока, DMLS строит детали с нуля с использованием цифровых 3D-моделей. Это фундаментальное различие открывает возможности проектирования, которые невозможны или экономически нежизнеспособны с обычными методами производства.

Процесс начинается с тонкого слоя металлического порошка, разбросанного по платформе сборки. Лазер затем отслеживает поперечное сечение детали, плавя и сплавляя частицы порошка вместе. Платформа опускается на один слой толщиной, наносится новый слой порошка, и лазер сплавляет следующий поперечный сечение к предыдущему. Этот цикл повторяется тысячи раз, пока не образуется полная часть. Весь процесс происходит в контролируемой инертной газовой атмосфере для предотвращения окисления и обеспечения чистоты материала.

DMLS отличается от других процессов металлических добавок, таких как электронное лучевое плавление (EBM) или биндерное реактивное движение. Он предлагает более тонкое разрешение, лучшую отделку поверхности и способность производить детали с высокой точностью размеров - обычно в пределах ± 0,1 мм для большинства геометрий. Эта точность делает DMLS особенно хорошо подходящим для инструментов и креплений, где жесткие допуски имеют решающее значение.

Материалы, используемые в DMLS

Широкий спектр металлических сплавов может быть обработан с помощью технологии DMLS. Общие материалы включают:

Каждый материал обладает уникальными свойствами, которые могут быть использованы для конкретных требований к оснастке и креплению. Выбор зависит от таких факторов, как рабочая температура, механические нагрузки, потребности в износостойкости и требования к теплопроводности.

Преимущества DMLS в производстве толинга и смеси

DMLS предлагает убедительный набор преимуществ, которые меняют подход производителей к производству оснастки и крепежа. Эти преимущества выходят за рамки простого производства деталей и влияют на всю производственную экосистему.

Быстрое прототипирование и итерация

Традиционное производство оснастки может занять недели или даже месяцы, особенно когда речь идет о сложных геометриях или индивидуальных проектах. DMLS резко сокращает время выполнения заказа. Аппарат, который может занять от шести до восьми недель для машин и сборки, может быть изготовлен в течение нескольких дней. Эта скорость позволяет производителям быстро тестировать несколько версий, прежде чем приступить к окончательному производству. Возможность быстрой и точной обработки конструкций напрямую приводит к лучшей производительности оснастки и более коротким общим срокам проекта.

Инженеры теперь могут включить обратную связь с цехом в доработку инструментов и иметь обновленные приспособления, готовые к использованию в течение 48 часов. Эта гибкость особенно ценна в условиях производства с высоким содержанием смеси и низким объемом, где потребности в инструментах часто меняются.

Сложные геометрии и свобода дизайна

DMLS устраняет многие геометрические ограничения, налагаемые обычной обработкой. Внутренние конформные охлаждающие каналы, решетчатые структуры для снижения веса, органические формы для эргономики и интегрированные функции, такие как монтажные боссы или штифты выравнивания, могут быть изготовлены в одной сборке. С DMLS сложность не требует дополнительных затрат.

Например, вставки для пресс-формы с конформными охлаждающими каналами могут сократить время цикла на 30-50% по сравнению с традиционными линиями охлаждения с прямым осушением. Аналогично, светильники могут включать легкие решетчатые структуры, которые поддерживают жесткость при уменьшении массы на 40-60%, что облегчает их работу операторам и сокращает время цикла в автоматизированных системах.

Эффективность затрат и материальная эффективность

Традиционные методы производства, такие как механическая обработка, производят значительные отходы материала - часто 80-90% исходного запаса удаляется. DMLS использует только материал, необходимый для конечной части, при этом несинтерированный порошок подлежит вторичной переработке для будущих сборок. Эта эффективность материала напрямую приводит к экономии затрат, особенно для дорогих сплавов, таких как титан или Inconel.

Уравнение затрат также благоприятствует DMLS для малообъемных производственных процессов. В то время как стоимость обработки на одну часть уменьшается с объемом из-за амортизированных затрат на установку, DMLS поддерживает относительно стабильные затраты на одну часть независимо от количества. Для инструментов и крепежных устройств, где количества обычно низкие (1-50 единиц), DMLS часто предлагает самую низкую общую стоимость владения.

Настройка и производство по требованию

Каждый инструмент или приспособление может быть настроено под конкретные требования без дорогостоящего переоборудования или изменения настройки. Производитель, производящий несколько вариантов продукта, может поддерживать цифровую библиотеку конструкций приспособлений и производить их по требованию по мере необходимости. Это устраняет затраты на перевозку запасов и снижает риск устаревания.

Настройка также распространяется на эргономические соображения. Приборы могут быть разработаны для соответствия конкретным размерам рук оператора, включать текстуры захвата или включать механизмы быстрого высвобождения, которые уменьшают усталость оператора. Эти ориентированные на человека элементы дизайна практически бесплатны в DMLS, но будут чрезмерно дорогими с обычными методами.

Прочность и долговечность материала

Части, изготовленные с помощью DMLS, обладают механическими свойствами, сопоставимыми с коваными материалами, а в некоторых случаях превышающими их. Быстрые скорости затвердевания, присущие процессу, создают тонкие микроструктуры, которые способствуют высокой прочности и твердости. При соответствующей термообработке детали DMLS могут достигать плотности 99-100% и механических свойств, которые соответствуют или превышают стандарты ASTM для соответствующего материала.

Для инструментов, подлежащих износу, инструментальные стали DMLS, такие как H13 или Maraging Steel, могут быть затвердевать до HRC 50-60, обеспечивая отличную устойчивость к истиранию и деформации.Отсутствие сварки или сплетенных соединений в частях DMLS также устраняет слабые места, которые могут выйти из строя при циклической нагрузке.

Применение в производстве Tooling и Fixture

Практическое применение DMLS в производстве оснастки и крепежа охватывает различные отрасли, включая автомобильную, аэрокосмическую, производство медицинских устройств и общее промышленное производство.

Конструкции и приспособления

DMLS позволяет производить джиги и светильники, которые легче, эргономичнее и функциональнее, чем их обработанные аналоги. Типичный машинный светильник может весить 10 кг, в то время как оптимизированная для DMLS версия, включающая решетчатые конструкции, может весить 4 кг для той же жесткости. Это снижение повышает безопасность оператора, снижает усталость от обработки и позволяет быстрее позиционировать на машинных столах.

Конструкции приспособлений могут интегрировать в деталь элементы расположения, механизмы зажима и датчики непосредственно, исключая этапы сборки и уменьшая количество деталей. Например, один прибор DMLS может заменить сборку из шести или семи обработанных компонентов, уменьшая время сборки и устраняя проблемы с укладкой допуска.

Режущие инструменты и вставки

Хотя DMLS пока не широко используется для высокоскоростных стальных или карбидных режущих кромок, он превосходит по производству корпусов инструментов, держателей и вставок со сложными внутренними каналами для доставки охлаждающей жидкости. Режущие вставки инструментов с конформным охлаждением могут снизить температуру резки на 20-30%, продлевая срок службы инструмента и улучшая отделку поверхности на обработанных деталях.

DMLS также позволяет производить индивидуальные стержни для бурения, брусчатки и фрезерные резцы с оптимизированной геометрией для конкретных операций. Производители могут проектировать инструменты с переменными углами спирали, геометрией разбивания чипов и сбалансированным распределением массы, которые было бы невозможно обрабатывать обычным способом.

Плесень и смерть

Вставки для пресс-форм, штамповочные штампы и штамповочные инструменты получают огромную пользу от технологии DMLS. Возможность включения конформных охлаждающих каналов непосредственно в ядро и полость формы сокращает время цикла за счет улучшения теплопередачи. Для литья под давлением пластмассы это может означать сокращение времени цикла на 25-50% с соответствующим увеличением производительности.

DMLS также позволяет производить вставки из пресс-форм со сложными линиями нарезки, сложными текстурами поверхности и интегрированными системами выброса.Эти возможности особенно ценны для форм медицинского устройства, упаковочных форм и автомобильных компонентов, где сложность деталей высока, а время выхода на рынок имеет решающее значение.

Сверхоружейный булинг

Оснащение конечной руки (EOAT) для роботизированных систем требует баланса прочности, жесткости и низкой массы. DMLS позволяет производить захваты, держатели всасывающих стаканов и крепления датчиков, которые оптимизированы для конкретной геометрии деталей. Зацеп DMLS, предназначенный для конкретной автомобильной детали, может весить на 60% меньше, чем машинный эквивалент, обеспечивая лучшее распределение силы захвата.

Поскольку детали DMLS могут быть изготовлены быстро, производители могут адаптировать роботизированные элементы к новым вариантам продукта без длительных циклов редизайна и изготовления EOAT. Эта гибкость необходима в современных гибких производственных системах, где время перехода должно быть сведено к минимуму.

Влияние на производственные процессы

Принятие технологии DMLS меняет производственные процессы и цепочки поставок. Компании, которые интегрируют DMLS в свои инструменты и фиксирующие производственные возможности, сообщают о измеримых улучшениях в эффективности, маневренности и контроле затрат.

Сокращение Lead Times

Традиционные закупки инструментов включают в себя сложную цепочку этапов: проектирование, материал для поиска, программирование машин с ЧПУ, фиксация для обработки, несколько операций, термообработка, шлифовка и сборка. Каждый шаг вводит задержки и возможности для ошибки. DMLS разрушает этот рабочий процесс на три основных этапа: проектирование, печать и пост-процесс. Устранение нескольких операций передачи и установки сокращает время выполнения заказа от недель до дней.

Производителю, производящему новый автомобильный компонент, может потребоваться 20 светильников для различных сборочных операций. При использовании обычных методов производство этих светильников может занять 10-12 недель. С помощью DMLS одни и те же светильники могут быть спроектированы, напечатаны и готовы к использованию через 2-3 недели, ускоряя общую временную шкалу запуска продукта.

Производственные возможности внутри дома

Привнося возможности DMLS в свои руки, производители снижают зависимость от внешних поставщиков инструментов. Это снижает сложность цепочки поставок, устраняет задержки доставки и позволяет более жесткий контроль над качеством и интеллектуальной собственностью. Внутренние DMLS также позволяют итеративные циклы улучшения, которые были бы непрактичными при работе с внешними поставщиками - инженеры могут протестировать крепление на производственной линии, определить необходимое улучшение и подготовить пересмотренную версию на следующий день.

Капитальные инвестиции, необходимые для системы DMLS, значительно сократились в последние годы, что сделало внутреннее внедрение жизнеспособным для растущего числа производителей. Системы от крупных поставщиков, таких как EOS, SLM Solutions и 3D Systems, теперь доступны по ценам, которые обеспечивают привлекательную рентабельность инвестиций для специализированного производства оснастки.

Легкие и высокопроизводительные конструкции

Достижимое с помощью ДМЛС снижение веса имеет прямые эксплуатационные преимущества. Более легкие светильники легче в обращении, снижая усталость оператора и риск травматизма. В автоматизированных системах более легкая оболочка конечного рычага позволяет быстрее ускоряться и замедляться, сокращая время цикла. Для светильников, установленных на поворотных столах или поддонных системах, уменьшенная масса повышает точность позиционирования и снижает износ движущихся компонентов.

Преимуществами производительности также являются управление температурой. Оснащение DMLS с конформным охлаждением или интегрированные радиаторы могут улучшить стабильность процесса и качество продукта. В литье под давлением пластмасс однородное охлаждение уменьшает деформацию и улучшает размерную консистенцию формованных деталей.

Проблемы и соображения

Хотя DMLS предлагает преобразующие преимущества, производители должны понимать ограничения и требования к внедрению технологии для достижения успешных результатов.

Первоначальные инвестиции

Системы DMLS несут значительную авансовую стоимость, обычно от 200 000 до более 1 миллиона долларов США в зависимости от объема сборки и возможностей. Также требуются дополнительные инвестиции в оборудование для обработки порошка, постобработочные станции и обучение. Производители должны провести тщательный анализ затрат и выгод с учетом их объема оснастки, требований к сложности и ожидаемой ROI-сроки.

Один из распространенных подходов заключается в том, чтобы начать с бюро по обслуживанию для первоначальной проверки перед принятием на себя обязательств по внутренней системе. Это позволяет производителям создавать опыт с принципами проектирования DMLS и понимать ценностное предложение технологии для их конкретных применений.

Постпроцессуальные требования

Для деталей ДМЛС требуется последующая обработка, прежде чем они будут готовы к эксплуатации. Конструкции поддержки должны быть удалены, поверхности могут нуждаться в обработке или полировании для достижения требуемых допусков, а термообработка часто необходима для снятия остаточных напряжений и достижения желаемых механических свойств. Эти этапы после обработки добавляют время и затраты, которые должны быть учтены в общем производственном плане.

Для применения оснастки, требующей жестких допусков на критические особенности, наиболее эффективной стратегией часто являются гибридные подходы, сочетающие производство DMLS ближней формы с финишной обработкой.Процесс DMLS создает сложную геометрию, в то время как конечная операция обработки достигает точности размеров, необходимой для спаривания поверхностей или определения местоположения признаков.

Дизайн для аддитивного производства (DfAM)

Полный потенциал DMLS реализуется только тогда, когда конструкции оптимизированы для аддитивного процесса. Простое воспроизведение конструкции механизированного светильника в DMLS редко дает оптимальные результаты. Инженеры должны научиться проектировать для аддитивного производства, охватывая такие принципы, как самоподдерживающиеся углы, минимальная толщина стенок, каналы удаления порошка и оптимизация ориентации.

Инвестиции в обучение DfAM и программные средства необходимы. Генеративные инструменты проектирования могут автоматически создавать оптимизированные по DMLS геометрии, которые минимизируют использование материала при соблюдении требований к производительности. Программное обеспечение для оптимизации топологии помогает инженерам удалять материал из регионов с низким стрессом, создавая органические, весовые структуры, которые идеально подходят для производства DMLS.

Будущее и тенденции

Технология DMLS продолжает быстро развиваться, и ее прогресс будет способствовать дальнейшему расширению ее роли в производстве оснастки и светильников.

Достижения в области материаловедения

Разрабатываются новые металлические сплавы, специально разработанные для аддитивного производства, которые обеспечивают улучшенную технологичность и производительность. К ним относятся медные сплавы с высокой теплопроводностью, износостойкие инструментальные стали и низколегированные стали, оптимизированные для экономически чувствительных применений. По мере расширения палитры материалов все больше приложений для инструмента станет жизнеспособными кандидатами на DMLS.

Исследования композитных металлических материалов и функционально градуированных конструкций обещают обеспечить детали с пространственно разнообразными свойствами - твердые на поверхности для износостойкости при сохранении жесткого ядра для ударопрочности. Такие возможности будут революционными для применения в оснастке.

Интеграция с цифровыми рабочими процессами

Будущее DMLS в производстве инструментов заключается в бесшовной интеграции с более широкими цифровыми производственными системами. Прямые связи между CAD, моделированием и производственными системами DMLS позволят автоматизировать проверку и оптимизацию проектирования. Алгоритмы машинного обучения, которые предсказывают успех сборки и оптимизируют параметры процесса, уменьшат пробные и ошибочные и улучшат надежность первого печати.

Облачные платформы для совместного использования инструментов, базы данных параметров процессов и удаленного мониторинга систем DMLS позволят распределить производственные сети, где конструкции инструментов могут быть изготовлены на заводе по требованию, а не отправлены с центрального инструментария.

Устойчивость и сокращение отходов

Экологическая устойчивость становится все более важным фактором в производстве. DMLS способствует достижению целей устойчивости за счет эффективности материалов, снижения потребления энергии в производстве по сравнению с литьем или обработкой сложных деталей и устранения резки жидкостей и смазочных материалов, используемых в обычной обработке.

Способность производить легкие светильники также снижает потребление энергии в системах обработки и автоматизации в течение жизненного цикла инструмента, поскольку производители сталкиваются с давлением, чтобы уменьшить свой углеродный след, экологические преимущества DMLS станут все более важным фактором принятия решений.

Заключение

Прямой лазерный спекание металла в корне меняет производство оснастки и светильников в производстве. Способность технологии производить сложные геометрии, сокращать время выполнения заказа, обеспечивать настройку и повышать эффективность материала предлагает неоспоримые преимущества по сравнению с традиционными методами производства. Хотя проблемы, связанные с инвестиционными затратами, требованиями к постобработке и адаптацией дизайна, остаются, траектория развития DMLS указывает на более широкое внедрение и увеличение возможностей.

Производители, которые инвестируют в возможности DMLS и опыт проектирования сегодня, будут иметь хорошие возможности для конкуренции в среде, где гибкость, настройка и скорость выхода на рынок являются критическими факторами успеха. Технология не просто альтернативный метод производства - она представляет собой фундаментальный сдвиг в том, как к решению, решению и оптимизации задач по оснастке и креплению подходят, решаются и оптимизируются для максимальной эффективности производства.