金屬3D打印技術(shù)正在成為模具制造智能化的關(guān)鍵技術(shù)

來源：金屬加工
作者：武兵書

金屬3D打印是最具代表性的增材制造技術(shù)，其工程應(yīng)用有助于提高復(fù)雜精密模具的數(shù)字化、智能化設(shè)計制造水平。由于與模具制造業(yè)有著共同的產(chǎn)業(yè)特征，所以金屬3D打印技術(shù)正在成為模具高效、高精度制造的新關(guān)鍵技術(shù)。我國的模具行業(yè)正在以推動3D打印制模技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展為契機(jī)，提升模具產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級化和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化，推動模具產(chǎn)業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)。

1    序言
增材制造（Additive Manufacturing）是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件或制品的技術(shù)。由于增材制造技術(shù)不需要復(fù)雜的工模具及多道加工工藝即可快速制造出任意形狀的工件與制品，30年來在技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上取得了快速發(fā)展，因此成為與減材制造（切削加工為主）和等材制造（模具成形為主）并列的材料加工三大基礎(chǔ)技術(shù)之一。增材制造，特別是實現(xiàn)全數(shù)字化的3D打印技術(shù)，通過零部件或整機(jī)3D打印設(shè)計以及3D打印制造達(dá)到“三減一高”（減少零件的個數(shù)、減輕質(zhì)量、減少裝配，制作出高復(fù)雜度零件）的目的。

2    3D打印技術(shù)已經(jīng)成為增材制造技術(shù)的主體
3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅推動了激光、電子束等高能密度加工技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，更是有望革新制造業(yè)的設(shè)計制造全流程，是崛起中的智能制造方式，因而受到了各國政府和工程技術(shù)界的高度關(guān)注和重視。目前已經(jīng)開發(fā)出的數(shù)字化增材制造技術(shù)見表1。

△表1　數(shù)字化增材制造技術(shù)

全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會結(jié)合我國增材制造技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)形成的基礎(chǔ)和特點，推出了增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架（見圖1）[1]。

△圖1　增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系（關(guān)鍵技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用部分）

從圖1可以看出，增材制造關(guān)鍵工藝、設(shè)備技術(shù)中大部分屬于“3D打印技術(shù)”。由于它們最能體現(xiàn)增材制造的技術(shù)特征和數(shù)字化、智能化的方向，因而成為增材制造技術(shù)的主體。其中以金屬粉末床熔融技術(shù)（見圖2）和燒結(jié)技術(shù)為代表的金屬3D打印技術(shù)，代表著增材制造的技術(shù)前沿和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用水平，是3D打印技術(shù)這顆皇冠上的明珠。

△圖2　金屬激光3D打印制造（粉末床激光融合）示意

3    金屬3D打印已經(jīng)建立起比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈

20世紀(jì)80年代，3D打印就已經(jīng)開發(fā)出可以商用的技術(shù)，但最初的打印材料主要是非金屬材料，因此3D打印主要用于模型、工藝品、包裝品和醫(yī)療器材等非金屬材料制品的制造。進(jìn)入21世紀(jì)，金屬3D打印技術(shù)得到了迅速發(fā)展，金屬粉末的制備技術(shù)也日漸成熟，使得3D打印技術(shù)的工程應(yīng)用范圍從最初的產(chǎn)品開發(fā)原型制造、珠寶飾品、牙科和包裝品制造領(lǐng)域，快速進(jìn)入到產(chǎn)品制造業(yè)精密成形的各個領(lǐng)域，成為特殊復(fù)雜零部件和高度個性化制品最具競爭力的制造手段，其中德國EOS、美國3D System等公司的3D打印設(shè)備和相應(yīng)的分層軟件，一度引領(lǐng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。與此同時，3D打印所用各種耗材，如非金屬材料（尼龍、陶瓷等）、金屬材料（不銹鋼、工具鋼、耐熱合金、鋁合金、銅等）粉末的研發(fā)、生產(chǎn)與供應(yīng)也逐步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和商品化。只是當(dāng)前金屬3D打印耗材的品種較少，價格偏高，加之打印設(shè)備投資較大及打印效率相對較低等原因，目前工程應(yīng)用范圍主要集中在航空航天、人造關(guān)節(jié)（包括牙齒）等非市場化產(chǎn)品領(lǐng)域及特種工模具制造行業(yè)。

在金屬3D打印技術(shù)中，粉末床融合技術(shù)是目前工程中最常用的技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)之一的打印熱源，一般使用激光束或高能電子束。激光熱源可進(jìn)行激光熔覆及選擇性激光燒結(jié)加工，高能電子束則主要進(jìn)行電子束熔融加工。由于激光和電子束在加工空間的傳播方式不同，造成二者的工作環(huán)境有別——激光3D打印是在空氣或惰性氣體（如氮氣）中進(jìn)行（見圖3），電子束3D打印的環(huán)境則需要相當(dāng)高的真空度，以減少電子束在到達(dá)工作面前與氣體分子碰撞造成的能量損失（見圖4）。目前這兩種金屬3D打印設(shè)備都已建立了研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)供應(yīng)體系。

△圖3　激光金屬3D打印示意

△圖4　電子束金屬3D打印示意

金屬3D打印的另一個關(guān)鍵技術(shù)是打印材料的制備。粉末床融合技術(shù)需要不斷均勻平鋪金屬粉末，因此，粉末外形要求盡可能為球形，有利于粉末的順暢流動，同時粉末的顆粒及成分均勻性都要符合材料的設(shè)計要求。目前低碳含量的不銹鋼、高溫合金、鈦合金、鋁、銅等金屬粉末的制備技術(shù)比較成熟，品種也較豐富。含碳量較高的工模具鋼粉末，由于在制備和使用（熔融）中需要控制碳的燒損，從而影響到打印制品的性能，所以目前工模具鋼粉末品種較少，價格也較高。

“十二五”以來，我國的科技界以智能制造強(qiáng)國為主攻方向，緊緊跟蹤國際3D打印技術(shù)，特別是金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢，在引進(jìn)消化的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新3D打印技術(shù)體系，拓展3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，并逐步建立起包括打印原材料、打印設(shè)備和打印服務(wù)平臺在內(nèi)的3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，并逐步實現(xiàn)金屬3D打印關(guān)鍵技術(shù)裝備的國產(chǎn)化，建立起較穩(wěn)定的供應(yīng)鏈（見表2）[2]。

△表2　我國3D打印技術(shù)供應(yīng)鏈概況

4    金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)在模具制造領(lǐng)域得到成功工程應(yīng)用
模具是產(chǎn)品制造業(yè)重要的基礎(chǔ)工藝裝備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高、工況條件苛刻、可靠性及壽命要求高。目前模具材料大多數(shù)采用金屬材料（90%以上），其中90%是鋼鐵材料。為了高效、高精度地完成復(fù)雜模具的制造，模具界始終在探索各種新的加工方法和制造技術(shù)，但即便如此，20世紀(jì)的加工技術(shù)水平仍然不能滿足數(shù)字化設(shè)計技術(shù)進(jìn)步對模具設(shè)計精度快速提升的需求，導(dǎo)致許多先進(jìn)的設(shè)計方案因加工技術(shù)的原因無法實現(xiàn)或被迫降低制造精度，如精密復(fù)雜塑料制品注塑模具的冷卻系統(tǒng)，由于切削加工技術(shù)難以加工出由CAE設(shè)計出的隨形冷卻水道，致使制件局部變形較大。

21世紀(jì)開始，隨著激光功率、光斑聚焦以及模具鋼粉末等關(guān)鍵技術(shù)的突破，金屬3D打印技術(shù)在注塑模具隨形冷卻水道制作中的工程應(yīng)用得以實現(xiàn)，如圖5所示。對于大型復(fù)雜注塑件，通過模擬軟件分析，設(shè)計了水道截面形狀及走向，采用3D打印技術(shù)制作隨形水道鑲件，鑲到用切削加工的模具基體上，兩部分的冷卻水道用軟管在模具外部連通，這種增減材復(fù)合制造技術(shù)既避開了模具鋼粉末價格高、打印效率低等3D打印技術(shù)的弱點，又解決了傳統(tǒng)冷卻水道局部冷卻不合理的難題；對于小型精密結(jié)構(gòu)件注塑模具，通過CAD、CAE軟件優(yōu)化設(shè)計出隨形冷卻水道，利用金屬3D打印技術(shù)直接將模具整體打印出來，打印出來的帶有隨行水道的注塑模具如圖6所示。另外，某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具或模具零件，如橡膠輪胎模具花紋塊、鞋底花紋模具等（見圖7），也已建立起了金屬3D打印生產(chǎn)線。當(dāng)前金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)可以把這類模具或模具零件的綜合成本控制在市場可以接受的范圍內(nèi)。

a）傳統(tǒng)水道（改善前）


b）隨形水道（改善后）
△圖5　注塑模具冷卻水道優(yōu)化設(shè)計

△圖6  3D打印的帶有隨形水道的注塑模具

a）輪胎模具花紋塊


b）鞋底花紋模具
△圖7　金屬3D打印模具

5    金屬3D打印技術(shù)正稱為智能化模具設(shè)計制造技術(shù)的重要環(huán)節(jié)

5.1 模具的設(shè)計制造與金屬3D打印技術(shù)具有共同的產(chǎn)業(yè)特征
模具成形是一種精密高效的零部件（制品）加工方法，模具的設(shè)計制造則具有典型的“多品種、小批量”（多數(shù)情況下單件生產(chǎn)）特征，而金屬3D打印技術(shù)恰好在滿足高度個性化高端客戶需求方面具有無可爭議的優(yōu)勢，與模具制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)特征有著極高的配合度，為高效、高精度模具加工提供了新的技術(shù)。

5.2 金屬3D打印技術(shù)以市場需求為導(dǎo)向加快創(chuàng)新發(fā)展，推動模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計制造的技術(shù)突破

受到工程應(yīng)用的反饋和激勵，金屬3D打印技術(shù)正以積極進(jìn)取的精神不斷向前發(fā)展，滿足用戶行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展對金屬3D打印技術(shù)的要求。

（1）以提高效率為目標(biāo)研發(fā)更多的金屬3D打印工藝　粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)在控制打印制品精度方面具有優(yōu)勢，加工的零件幾何結(jié)構(gòu)可以非常復(fù)雜，選擇性激光融化（SLM）和直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）是粉末床熔融金屬3D打印工藝的典型代表，但這種工藝強(qiáng)烈依賴熱源光斑尺寸和粉末粒子制備質(zhì)量，打印效率較低，打印成本較高。陸續(xù)開發(fā)出的直接能量沉積技術(shù)（見圖8）則兼顧了尺寸精度和打印效率（成形效率可達(dá)到粉末床技術(shù)的2～10倍），打印材料（絲、粉）的制備成本較低，適合斷面較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度略低的模具制造和某些局部失效模具的修復(fù)。

a）絲材                  b）單噴嘴送粉



c）雙噴嘴送粉                      d）圓錐嘴送粉
△圖8　直接能量沉積金屬3D打印工藝

粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)對某些需均勻排氣的模具或抽真空成形的模具制作提供了新的機(jī)會。

（2）優(yōu)化模具鋼粉末制備工藝，降低3D打印生產(chǎn)成本　粉末性能與質(zhì)量是金屬3D打印控形、控性的關(guān)鍵因素。隨著對金屬3D打印過程影響打印制品質(zhì)量的物理機(jī)制的深入了解，不同打印工藝對粉末成分、顆粒形狀、顆粒度大小、顆粒分布狀態(tài)（見圖9）及配比的研究也取得了新成果（見表3）[3]，并根據(jù)研究成果開發(fā)了不同的制粉技術(shù)。

△圖9　金屬粉末床3D打印中粉末顆粒分布狀態(tài)示意



△表3　用于模具3D打印制造的粉末技術(shù)參數(shù)

為了能制備出符合以上參考標(biāo)準(zhǔn)的金屬粉末，歐美的公司開發(fā)了氣霧化、離子霧化和電解制粉法。對于粉末床熔融工藝，通常使用高品質(zhì)的、昂貴的金屬粉末。這些粉末通常采用氣霧化或等離子霧化工藝制備，分別通過感應(yīng)加熱或等離子火炬來熔化金屬，如圖10所示。熔化的金屬液注入霧化倉，被高速氣流破碎成小液滴，在下落過程逐漸凝固。氣霧化制粉效率高，80%以上的金屬3D打印粉末（包括模具鋼粉末）用此法制作；等離子霧化工藝制備的粉末球形度比氣霧化工藝更高；二者制備的粉末顆粒度呈高斯分布。

a）氣霧化制粉


b）等離子霧化制粉
△圖10　霧化制粉技術(shù)示意

歐美國家在2010年前后開始生產(chǎn)3D打印模具鋼粉末（S316不銹鋼、P20塑料模具鋼等），顆粒度20～40μm，價格200～250美元/kg，并用鋼粉打印制造了隨形水道等注塑模鑲件[4]。我國國內(nèi)于2015年前后成功研制出用于激光熔覆的模具鋼粉，價格逐步穩(wěn)定到300元/kg以內(nèi)（某些用于鞋模3D打印的不銹鋼粉甚至在150元/kg以內(nèi)），也推動了進(jìn)口模具鋼粉價格下降，目前已經(jīng)降低到100美元/kg以內(nèi)。

（3）增加了模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計自由度，提高模具成形生產(chǎn)效率　金屬3D打印技術(shù)的工程應(yīng)用大大提升了模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計的自由度，不必?fù)?dān)心冷卻系統(tǒng)的可加工性對結(jié)果精度的影響。

以TPE電纜套管模具鑲件隨形冷卻水道設(shè)計（見表4）為例進(jìn)行分析。圖11中設(shè)計6是根據(jù)傳統(tǒng)“鉆孔”工藝設(shè)計的水道結(jié)構(gòu)，其他5個設(shè)計是根據(jù)金屬3D打印工藝設(shè)計的水道結(jié)構(gòu)。使用316L不銹鋼打印出這6款模具鑲件，并熱處理至硬度54HRC。經(jīng)實際測試，設(shè)計5（噴泉型）、設(shè)計1（薄U型）和設(shè)計4（粗螺旋型）有最佳冷卻性能，這3種模具鑲件實物如圖11所示。注塑模具使用上述隨形冷卻鑲件，可以將注塑冷卻時間從設(shè)計6的約30s縮短至大約6s，從而將注塑周期從60.5s減少到14.7s，生產(chǎn)周期縮短75%。

△表4 TPE電纜套管模具鑲件隨形冷卻水道設(shè)計


a）粗螺旋型   b）噴泉型  c）薄U型
△圖11 3種冷卻性能最好的帶隨形水道的3D打印模具鑲件

除了利用金屬3D打印技術(shù)直接打印帶隨形水道的模具外，還開發(fā)了與機(jī)械加工工藝共同完成帶隨形水道模具的制造（見圖12），這種增減材復(fù)合制造技術(shù)也稱“3D打印嫁接”。這種方式既可滿足設(shè)計冷卻條件，也可提高模具制造效率。

△圖12　模具隨形水道的增減材復(fù)合制造示意

5.3 金屬3D打印技術(shù)助力模具設(shè)計制造智能化

1）金屬3D打印技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，促進(jìn)了零部件（制品）從產(chǎn)品開發(fā)、成形工藝設(shè)計、模具設(shè)計數(shù)字化協(xié)同設(shè)計自由度的提升，并可以通過在虛擬空間對多種成形方案的控形、控性效果進(jìn)行比較，完成高精度、高效率模具成形方案的設(shè)計，革新模具設(shè)計制造全流程。

2）金屬3D打印技術(shù)的工程化應(yīng)用，有助于提高復(fù)雜精密模具或模具零件數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化設(shè)計制造水平，正在成為模具高效、高精度制造新的關(guān)鍵技術(shù)[5]。

3）“十三五”以來，我國連續(xù)多年保持世界第一大模具消費國、制造國和出口國地位，但在技術(shù)的原始創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)鏈競爭力方面，我國模具產(chǎn)業(yè)仍是“大而不強(qiáng)”。從提升模具產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級化和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化角度，我國模具界要抓住金屬3D打印技術(shù)對模具設(shè)計制造智能化具有革命性突破的機(jī)會，努力推動模具產(chǎn)業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)。

6    結(jié)束語

根據(jù)以上分析提出如下建議：①積極開展金屬3D打印制模技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，特別是常用模具鋼粉末3D打印過程組織演變機(jī)制研究，力爭與國際同步或領(lǐng)先。②創(chuàng)新金屬3D打印工藝、裝備技術(shù)研發(fā)，建立金屬3D打印制模技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，包括工藝、設(shè)備、打印材料、打印后處理及評價方法等。③根據(jù)所加工模具或模具零件以及所用3D打印技術(shù)特點，優(yōu)化模具設(shè)計制造流程，加快3D打印制模技術(shù)應(yīng)用平臺和供應(yīng)鏈建設(shè)。預(yù)計到2035年，（金屬）3D打印制模將占全國模具產(chǎn)量的15%～20%（450～600億元）。


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本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2022年第6期第1~8頁，作者：中國模具工業(yè)協(xié)會  武兵書，原標(biāo)題：《金屬3D打印技術(shù)正在成為模具制造智能化的關(guān)鍵技術(shù)》。