解析：增材制造在冷作模具領(lǐng)域的應(yīng)用

金屬增材制造正迅速成為塑料注射成型工具制造的一項(xiàng)成熟技術(shù)，但是對(duì)于冷作模具行業(yè)，這些應(yīng)用的增材制造是否也有市場？

隨著對(duì)輕量化產(chǎn)品的需求不斷增加，越來越多的高級(jí)高強(qiáng)度鋼板被使用。這對(duì)用于沖壓、成型和修整鈑金零件的工具鋼以及零件的質(zhì)量提出了更高的要求，因此不存在可能危及產(chǎn)品零件使用和壽命的毛刺或應(yīng)力集中。然而，增材制造技術(shù)在這種模具應(yīng)用中會(huì)有什么用處呢？

△用于熱作模具的增材制造 (AM) 工具市場正在增長，例如用于高壓壓鑄的模具。（來源：Uddeholm）

使用 GE Additive Arcam 的電子束熔化 (EBM) 工藝為冷作工具鋼的增材制造提供了新的可能性。

冷作工具鋼最重要的特性是良好的耐磨性。耐磨性通常是通過硬化微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的大量碳化物來實(shí)現(xiàn)的。碳化物的形成由特定的合金元素驅(qū)動(dòng)并受碳含量控制。因此，冷作工具鋼牌號(hào)是高合金鋼牌號(hào)，碳含量高。

這種高合金含量使冷作工具鋼難以在增材制造中進(jìn)行加工。主要問題是由這些合金在快速凝固過程中的高裂紋敏感性引起的，如在焊接中，這就是為什么冷作工具鋼是不可焊接的材料，這使得基于粉末床熔融原理（使用高能束進(jìn)行熔化）的增材制造技術(shù)變得難以實(shí)行。此外，凝固和后續(xù)熱處理過程中的偏析效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致碳化物的不均勻分布，這會(huì)導(dǎo)致磨損性能變差，應(yīng)該加以預(yù)防。

以上種種問題使得很難加工此類牌號(hào)的鋼種，尤其是針對(duì)基于激光的AM技術(shù)。此外，一般需要預(yù)熱到相當(dāng)高的溫度的鋼種牌號(hào)也是難以加工的，這對(duì)于最常見的激光粉末床AM技術(shù)的應(yīng)用來說可能是一個(gè)問題。然而，使用 GE Additive Arcam 的電子束熔化 (EBM) 工藝為冷作工具鋼的增材制造提供了新的可能性。

△GE Additive Arcam EBM 生態(tài)系統(tǒng)、Spectra H EBM 系統(tǒng)、粉末處理和粉末回收解決方案。（來源：Uddeholm）

EBM是一種熱AM工藝，電子束可以具備兩種功能，如果它是偏焦的，則用于加熱，如果它是聚焦的，則用于熔化。這樣就有可能在加工過程中控制和保持一定的溫度，以防止裂紋的形成。

此外，EBM是一種真空工藝，為材料和粉末提供保護(hù)，防止污染。精確的工藝控制確保了所需合金的化學(xué)成分保持在其規(guī)格范圍內(nèi)。熔化過程中的高凝固率導(dǎo)致了精細(xì)和均勻的微觀結(jié)構(gòu)，這對(duì)于碳化物的形成和分布都是必要的。

為了釋放EBM在冷作工具鋼中的潛力，Uddeholm和 GE Additive 開發(fā)了 UddeholmVanadis 4 Extra 粉末材料用于EBM打印。UddeholmVanadis 4 Extra Superclean 是鉻鉬釩合金鋼，最初是作為 PM 級(jí)開發(fā)的，現(xiàn)已改進(jìn)并適應(yīng) EBM 工藝。保留了PM版本的優(yōu)良材料特性，并兼?zhèn)鋬?yōu)異的耐磨性和良好的韌性，優(yōu)于 D2一類傳統(tǒng)冷作工具鋼。

通過在EBM 加工和隨后的熱處理過程中使用正確的條件，可以獲得具有精細(xì)分散的碳化釩的硬化微觀結(jié)構(gòu)，從而提供優(yōu)異的耐磨性和良好的韌性。Uddeholm Vanadis 4 Extra的硬度達(dá)到64 HRC，抗壓強(qiáng)度為2700 MPa，韌性為20J。加工過的EBM 材料也在沖壓和壓花操作中進(jìn)行了測試，其中工具的磨損性能和生產(chǎn)零件的質(zhì)量都與 Vanadis 4Extra PM 級(jí)非常相似。

△CP1180 HD 1.5 毫米板材Uddeholm Vanadis 4 Extra 100 000 次注射后沖頭磨損的比較。（來源：Uddeholm）

從技術(shù)角度來看，增材制造的冷作工具是否至少具有與常規(guī)生產(chǎn)的工具一樣的性能？有什么好處？由于冷作工具不需要冷卻，因此它們不會(huì)受益于制造更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和冷卻通道的可能性。所以好處來自其他地方。

一些工具的設(shè)計(jì)需要大量機(jī)加工，其中多達(dá) 75% 的材料將被去除。對(duì)于這些零件，使用 AM 可以節(jié)省時(shí)間、成本和能源。

△V4E的EBM AM工藝的加工路線從CAD模型，粉末和GE Additive EBM系統(tǒng)開始。（來源：Uddeholm）

由于鋼廠的材料批次通常相當(dāng)大，而許多冷作工具相當(dāng)小，能否在正確的時(shí)間提供正確的材料等級(jí)、正確的尺寸很棘手。為此，當(dāng)原材料的供應(yīng)是一個(gè)問題時(shí)，增材制造則能成為傳統(tǒng)工具制造的一個(gè)良好補(bǔ)充。

無需花費(fèi)時(shí)間去尋找合適的原材料、占用資金和破壞現(xiàn)金流，這些工具可以使用與傳統(tǒng)工具保有相同的特性進(jìn)行打印。因此，從技術(shù)和財(cái)務(wù)的角度來看，增材制造肯定有一些冷加工應(yīng)用的價(jià)值。使用AM也將會(huì)是一個(gè)有趣的選擇，并且可以成為具有競爭力的解決方案。

△Uddeholm Vanadis 4 Extra SuperClean是一種鉻鉬釩合金鋼（來源：Uddeholm）