盡管金屬3D打印模具的優(yōu)勢已得到充分證明并已多次提出，但其應(yīng)用進(jìn)展仍然緩慢。一方面由于最初對材料性能的擔(dān)憂，另一方面由于市場對3D打印技術(shù)相關(guān)的特定成本與產(chǎn)品生命周期價值缺乏了解，但更重要的是，缺乏如何應(yīng)用3D打印技術(shù)并將其集成到工廠中的專業(yè)知識。本期，3D科學(xué)谷將結(jié)合模具與金屬3D打印目前結(jié)合的態(tài)勢來理解金屬3D打印模具的發(fā)展趨勢。

金屬3D打印。來源：GF加工方案

隨形冷卻的漸進(jìn)發(fā)展

壓力與挑戰(zhàn)

計(jì)算投資價值

模具制造商通常承受著來自客戶的巨大壓力，要求以最低的價格制造模具。此外，雖然3D打印的模具鑲件可以在交貨時間、質(zhì)量和生產(chǎn)率方面帶來巨大收益，但從制造環(huán)節(jié)上通常會導(dǎo)致每個3D打印的鑲件產(chǎn)生額外的制造成本。因此，模具制造商必須精確計(jì)算額外投資的價值并向最終客戶證明。

3D打印注塑模具成本效益分析及創(chuàng)新性應(yīng)用。來源：GF

與常規(guī)模具制造工藝集成

限制金屬3D打印技術(shù)在模具領(lǐng)域應(yīng)用的最后因素是缺乏將其無縫集成到常規(guī)生產(chǎn)線中的解決方案，這也是3D打印在模具制造中應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

因?yàn)樵谀＞咧圃祛I(lǐng)域，增材制造的鑲件需要經(jīng)過后期的CNC數(shù)控加工來獲得模具所需的高表面質(zhì)量，金屬3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工工藝的無縫集成勢在必行。在集成的方案中，不僅要包括考慮到所有制造階段的軟件，還要提供全套的解決方案從而將3D打印設(shè)備、材料、CNC數(shù)控加工、夾具、自動化解決方案等多個要素結(jié)合在一起，組成了一個有效的制造生態(tài)系統(tǒng)，從而提高可操作性，降低成本和復(fù)雜性。

GF加工方案已瞄準(zhǔn)了這一痛點(diǎn)，GF結(jié)合了多年的模具應(yīng)用與金屬增材制造的專業(yè)知識，為模具制造商開發(fā)了一套從軟件到最終加工的完整解決方案。

金屬3D打印。來源：GF加工方案

3D打印技術(shù)本身的挑戰(zhàn)

基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（LPBF）通常被用于加工隨形冷卻模具，這些模具的表面光潔度至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儗Q定最終注塑零件的外觀。因此，至關(guān)重要的是，在3D打印模具鑲件時必須具有非常穩(wěn)定的打印過程，以生產(chǎn)出高密度零件，從而在后加工后實(shí)現(xiàn)完美的表面光潔度，這些是3D打印技術(shù)本身最具挑戰(zhàn)性的要求。

模具應(yīng)用的另一個挑戰(zhàn)是與增材制造工藝可以處理的材料相關(guān)，基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（LPBF）本質(zhì)上是焊接過程，模具中常用的通過淬火達(dá)到硬化狀態(tài)的材料由于焊接性能較差而在大多數(shù)情況下不適合通過3D打印來加工。在3D打印模具制造中，通常使用不用于模具制造但可以滿足模具需求的金屬材料，最常見的材料是馬氏體時效鋼。

金屬粉末供應(yīng)商正在對新材料進(jìn)行研究，以便滿足模具的特定需求（硬度，耐腐蝕性等），同時仍可進(jìn)行高質(zhì)量的3D打印。

金屬粉末。來源：GF加工方案

創(chuàng)新方案釋放3D打印潛能

混合型模具

雖然許多公司已經(jīng)從隨形冷卻中獲得效率提高的好處，但從經(jīng)濟(jì)可行性的角度考慮還需要開創(chuàng)一些創(chuàng)新的”混合零件“，尤其是對于需要大量材料的零件，因?yàn)樵霾闹圃斓膬r格本質(zhì)上與要打印的材料量有關(guān)。

為了克服這些挑戰(zhàn)并將3D打印技術(shù)有效地集成到模具加工工序中，制造商可以通過預(yù)先加工“預(yù)成型件”，然后使用增材制造技術(shù)來在其基礎(chǔ)上制造具有其增材制造特點(diǎn)的零件，從而優(yōu)化這些模具鑲件的制造經(jīng)濟(jì)性。

GF 加工方案與其合作伙伴3D Systems開發(fā)了獨(dú)特的”混合零件” 制造方案，該方案將減材制造技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，能夠以自動化的方式在瓶坯模具上進(jìn)行高精度3D打印。

混合型模具鑲件，在預(yù)成型件的頂部3D打印。來源：GF加工方案

block 隨形冷卻應(yīng)用

注塑模具

在過去幾年中，金屬3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域耕耘的應(yīng)用以及研究都集中于隨形冷卻通道制造所帶來的優(yōu)勢。典型的優(yōu)勢包括減少注塑模具注射成型的周期，金屬增材制造技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的冷卻通道設(shè)計(jì)優(yōu)化，釋放了減少模具冷卻時間的潛能，這一點(diǎn)已獲得了普遍認(rèn)可。但這并不是3D打印技術(shù)提升模具冷卻性能所帶來的唯一優(yōu)勢。

3D打印具有隨形冷卻通道的熱流道。來源：GF加工方案

塑料零件的質(zhì)量與注塑模具相關(guān)，尤其是如何實(shí)現(xiàn)均勻冷卻和消除熱點(diǎn)對最終塑料零件質(zhì)量的影響很大。設(shè)計(jì)隨形冷卻通道的主要目的是獲得恒定的溫度梯度，從而避免收縮不均。這允許在注射過程之后更可重復(fù)的過程和更可預(yù)測的零件變形，同時還減少了通常需要補(bǔ)償變形的機(jī)械工具調(diào)整的需求。消除了開發(fā)階段常見的機(jī)械調(diào)整需求，從而減少了原型迭代，并加快了上市時間。

高壓壓鑄模具

雖然金屬3D打印技術(shù)的大多數(shù)模具用戶都在注塑模具領(lǐng)域，但3D打印隨形冷卻技術(shù)的應(yīng)用已引起了高壓壓鑄企業(yè)的興趣。

高壓壓鑄過程中的噴涂工藝主要有兩個目的：潤滑以改善脫模性，以及作為噴涂介質(zhì)起到冷卻作用。工業(yè)上的發(fā)展趨勢是嘗試減少或消除噴涂步驟，而采用隨形冷卻設(shè)計(jì)是為了減少噴涂需求，延長模具壽命并保持鑄件的質(zhì)量，鑄件的表面質(zhì)量與鑄模的表面質(zhì)量相關(guān)。

3D打印帶有隨形冷卻通道的模具。來源：GF加工方案

無論是注塑還是高壓壓鑄，隨形冷卻設(shè)計(jì)和增材制造的結(jié)合通常都會簡化模具設(shè)計(jì)。通過減少需要組裝的部件的數(shù)量（稱為組裝加固），從而消除或減少密封的需要。所有的注塑車間都目睹了密封失效的后果，并且非常了解與冷卻泄漏有關(guān)的停機(jī)事件。

目前，在使用3D打印模具鑲件的注塑和高壓壓鑄公司內(nèi)部看來，金屬3D打印技術(shù)用于隨形冷卻模具制造已經(jīng)成熟。我們將越來越多的看到金屬3D打印不再僅僅用于原型設(shè)計(jì)部門，而是在生產(chǎn)環(huán)境中使用。盡管如此，工業(yè)領(lǐng)域的投資決策是漫長的，并且是基于透徹的投資與回報思考。在這方面，GF加工方案開發(fā)的完整解決方案可改善金屬增材制造生態(tài)系統(tǒng)，并以扎實(shí)的技術(shù)專長為模具制造提供支持。

來源：3D科學(xué)谷

盡管金屬3D打印模具的優(yōu)勢已得到充分證明并已多次提出，但其應(yīng)用進(jìn)展仍然緩慢。一方面由于最初對材料性能的擔(dān)憂，另一方面由于市場對3D打印技術(shù)相關(guān)的特定成本與產(chǎn)品生命周期價值缺乏了解，但更重要的是，缺乏如何應(yīng)用3D打印技術(shù)并將其集成到工廠中的專業(yè)知識。本期，3D科學(xué)谷將結(jié)合模具與金屬3D打印目前結(jié)合的態(tài)勢來理解金屬3D打印模具的發(fā)展趨勢。

金屬3D打印。來源：GF加工方案

隨形冷卻的漸進(jìn)發(fā)展

壓力與挑戰(zhàn)

計(jì)算投資價值

模具制造商通常承受著來自客戶的巨大壓力，要求以最低的價格制造模具。此外，雖然3D打印的模具鑲件可以在交貨時間、質(zhì)量和生產(chǎn)率方面帶來巨大收益，但從制造環(huán)節(jié)上通常會導(dǎo)致每個3D打印的鑲件產(chǎn)生額外的制造成本。因此，模具制造商必須精確計(jì)算額外投資的價值并向最終客戶證明。

3D打印注塑模具成本效益分析及創(chuàng)新性應(yīng)用。來源：GF

與常規(guī)模具制造工藝集成

限制金屬3D打印技術(shù)在模具領(lǐng)域應(yīng)用的最后因素是缺乏將其無縫集成到常規(guī)生產(chǎn)線中的解決方案，這也是3D打印在模具制造中應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

因?yàn)樵谀＞咧圃祛I(lǐng)域，增材制造的鑲件需要經(jīng)過后期的CNC數(shù)控加工來獲得模具所需的高表面質(zhì)量，金屬3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工工藝的無縫集成勢在必行。在集成的方案中，不僅要包括考慮到所有制造階段的軟件，還要提供全套的解決方案從而將3D打印設(shè)備、材料、CNC數(shù)控加工、夾具、自動化解決方案等多個要素結(jié)合在一起，組成了一個有效的制造生態(tài)系統(tǒng)，從而提高可操作性，降低成本和復(fù)雜性。

GF加工方案已瞄準(zhǔn)了這一痛點(diǎn)，GF結(jié)合了多年的模具應(yīng)用與金屬增材制造的專業(yè)知識，為模具制造商開發(fā)了一套從軟件到最終加工的完整解決方案。

金屬3D打印。來源：GF加工方案

3D打印技術(shù)本身的挑戰(zhàn)

基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（LPBF）通常被用于加工隨形冷卻模具，這些模具的表面光潔度至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儗Q定最終注塑零件的外觀。因此，至關(guān)重要的是，在3D打印模具鑲件時必須具有非常穩(wěn)定的打印過程，以生產(chǎn)出高密度零件，從而在后加工后實(shí)現(xiàn)完美的表面光潔度，這些是3D打印技術(shù)本身最具挑戰(zhàn)性的要求。

模具應(yīng)用的另一個挑戰(zhàn)是與增材制造工藝可以處理的材料相關(guān)，基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)（LPBF）本質(zhì)上是焊接過程，模具中常用的通過淬火達(dá)到硬化狀態(tài)的材料由于焊接性能較差而在大多數(shù)情況下不適合通過3D打印來加工。在3D打印模具制造中，通常使用不用于模具制造但可以滿足模具需求的金屬材料，最常見的材料是馬氏體時效鋼。

金屬粉末供應(yīng)商正在對新材料進(jìn)行研究，以便滿足模具的特定需求（硬度，耐腐蝕性等），同時仍可進(jìn)行高質(zhì)量的3D打印。

金屬粉末。來源：GF加工方案

創(chuàng)新方案釋放3D打印潛能

混合型模具

雖然許多公司已經(jīng)從隨形冷卻中獲得效率提高的好處，但從經(jīng)濟(jì)可行性的角度考慮還需要開創(chuàng)一些創(chuàng)新的”混合零件“，尤其是對于需要大量材料的零件，因?yàn)樵霾闹圃斓膬r格本質(zhì)上與要打印的材料量有關(guān)。

為了克服這些挑戰(zhàn)并將3D打印技術(shù)有效地集成到模具加工工序中，制造商可以通過預(yù)先加工“預(yù)成型件”，然后使用增材制造技術(shù)來在其基礎(chǔ)上制造具有其增材制造特點(diǎn)的零件，從而優(yōu)化這些模具鑲件的制造經(jīng)濟(jì)性。

GF 加工方案與其合作伙伴3D Systems開發(fā)了獨(dú)特的”混合零件” 制造方案，該方案將減材制造技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，能夠以自動化的方式在瓶坯模具上進(jìn)行高精度3D打印。

混合型模具鑲件，在預(yù)成型件的頂部3D打印。來源：GF加工方案

block 隨形冷卻應(yīng)用

注塑模具

在過去幾年中，金屬3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域耕耘的應(yīng)用以及研究都集中于隨形冷卻通道制造所帶來的優(yōu)勢。典型的優(yōu)勢包括減少注塑模具注射成型的周期，金屬增材制造技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的冷卻通道設(shè)計(jì)優(yōu)化，釋放了減少模具冷卻時間的潛能，這一點(diǎn)已獲得了普遍認(rèn)可。但這并不是3D打印技術(shù)提升模具冷卻性能所帶來的唯一優(yōu)勢。

3D打印具有隨形冷卻通道的熱流道。來源：GF加工方案

塑料零件的質(zhì)量與注塑模具相關(guān)，尤其是如何實(shí)現(xiàn)均勻冷卻和消除熱點(diǎn)對最終塑料零件質(zhì)量的影響很大。設(shè)計(jì)隨形冷卻通道的主要目的是獲得恒定的溫度梯度，從而避免收縮不均。這允許在注射過程之后更可重復(fù)的過程和更可預(yù)測的零件變形，同時還減少了通常需要補(bǔ)償變形的機(jī)械工具調(diào)整的需求。消除了開發(fā)階段常見的機(jī)械調(diào)整需求，從而減少了原型迭代，并加快了上市時間。

高壓壓鑄模具

雖然金屬3D打印技術(shù)的大多數(shù)模具用戶都在注塑模具領(lǐng)域，但3D打印隨形冷卻技術(shù)的應(yīng)用已引起了高壓壓鑄企業(yè)的興趣。

高壓壓鑄過程中的噴涂工藝主要有兩個目的：潤滑以改善脫模性，以及作為噴涂介質(zhì)起到冷卻作用。工業(yè)上的發(fā)展趨勢是嘗試減少或消除噴涂步驟，而采用隨形冷卻設(shè)計(jì)是為了減少噴涂需求，延長模具壽命并保持鑄件的質(zhì)量，鑄件的表面質(zhì)量與鑄模的表面質(zhì)量相關(guān)。

3D打印帶有隨形冷卻通道的模具。來源：GF加工方案

無論是注塑還是高壓壓鑄，隨形冷卻設(shè)計(jì)和增材制造的結(jié)合通常都會簡化模具設(shè)計(jì)。通過減少需要組裝的部件的數(shù)量（稱為組裝加固），從而消除或減少密封的需要。所有的注塑車間都目睹了密封失效的后果，并且非常了解與冷卻泄漏有關(guān)的停機(jī)事件。

目前，在使用3D打印模具鑲件的注塑和高壓壓鑄公司內(nèi)部看來，金屬3D打印技術(shù)用于隨形冷卻模具制造已經(jīng)成熟。我們將越來越多的看到金屬3D打印不再僅僅用于原型設(shè)計(jì)部門，而是在生產(chǎn)環(huán)境中使用。盡管如此，工業(yè)領(lǐng)域的投資決策是漫長的，并且是基于透徹的投資與回報思考。在這方面，GF加工方案開發(fā)的完整解決方案可改善金屬增材制造生態(tài)系統(tǒng)，并以扎實(shí)的技術(shù)專長為模具制造提供支持。

來源：3D科學(xué)谷