金屬3d打印在高壓壓鑄模具上的發(fā)展趨勢

來源：中鑄

不論是模具還是鑄件，降成本、短交期方面的需求，可能會前所未見的強烈。同時對質量需求還不會降低，甚至更高。從近兩年來特斯拉結構件以及BYD動力總成件的情況來看，一方面，模具壽命普遍短于傳統(tǒng)車企，鑄件良率普遍低于傳統(tǒng)鑄件，體現(xiàn)出新部件的生產(chǎn)成熟度還有提高空間；另一方面，車企對高集成度壓鑄件青睞度與日俱增，即便模具壽命低、產(chǎn)品良率低也照樣開發(fā)，這與汽車銷量是直接相關的。

同樣是2000+噸級的模具以缸體為例，就算比亞迪壽命僅5萬良率80%，豐田壽命20萬良率99%，問題多多的比亞迪模具還是王道，畢竟車賣不出去再高的壽命、再高的良率都沒有意義。今朝的新能源拋棄油車，就如同當年70年代全球石油危機時，小排量拋棄大排量、底特律從巔峰跌落至鬼城是極為相似的。也就可以理解為何以汽車產(chǎn)業(yè)為支柱的湖北，今年如此的“壯士斷腕”。

在此趨勢下，目前1.2-2元/g的3D打印模具價格，必然還要下降才能滿足市場的需求。粉末公斤價下降到100元級，也就是0.1元/g，50元/H的時機費下每小時打印克重如果在125g以上，打印克價就可能來到0.4元/g，那么打印成本就會與進口粉末鋼相當，對外報價也會來到0.8-1元/g這個級別。也就是說在一套模具上花費8-10萬就可以收獲100kg的3D打印部件。

以一體化結構件模具為例，如果善用這8-10萬的3D打印部件，對鑄件控砂眼、控熱平衡、控粘模，對模具優(yōu)化水路、優(yōu)化鉆孔加工、優(yōu)化頂桿布置，這些改進對于一套總價1000-1500萬的大模具來講，可能就不僅僅是比較劃算，而是非常物超所值了。

可是要實現(xiàn)如此程度的成本壓縮，就需要3D打印行業(yè)從業(yè)人員的共同努力了。與航空航天等大量依賴國家支撐的行業(yè)不同，汽車模具是市場化的大規(guī)模制造行業(yè)，與其相關的模具正是為數(shù)不多的能夠讓金屬3D打印行業(yè)真正自己養(yǎng)活自己的點。而要在這個點上養(yǎng)活自己，就必須實現(xiàn)規(guī)�；�，規(guī)模化了才能價格合理化。價格越合理化，原本屬于傳統(tǒng)模具鋼和機加工的市場就會越多的轉移到3D打印這里。

我們講3D打印要“從頭越”，根源也就在這里。誰能進一步的下探價格，誰就能更好的跟上汽車行業(yè)新能源革命的步伐，誰就能獲得更多擴大規(guī)模、站穩(wěn)行業(yè)腳跟的機會。這與國內(nèi)目前3D打印行業(yè)更多專注于航空航天能源醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、更多研究工作傾向于鈦合金、高溫合金的趨勢其實是很大程度上相反的。下面我們從粉末和打印設備兩個方面深入探討。

打印粉末
在全國的粉末產(chǎn)能中鈦合金、高溫合金仍是主力，利潤上它們也是主力。鋼粉不僅次要，而且用于模具的粉仍不是主流，這就表明實際上鋼粉特別是用于模具的鋼粉仍會有價格下探的空間。模具鋼粉中應用于注塑模具的以CX類時效硬化不銹鋼為主，應用于壓鑄模具的以1.2709類（18Ni300）馬氏體時效硬化鋼為主。這兩類粉之所以被優(yōu)先引入模具行業(yè)是因為打印性能優(yōu)良，不容易裂，對預熱要求低。實際上這兩類粉本身就是易焊材的常用料。很多焊補公司的所謂“拿手絕活”，正是基于各種渠道獲得的時效鋼焊條來實現(xiàn)的。

以1.2709為例，北美一般稱為C300，作為傳統(tǒng)材料其具有不錯的韌性以及顯著優(yōu)于H13的抗回火性能，所以早在70年代人們就知道如果用C300、C250做壓鑄模具，龜裂壽命往往是H13模具的3倍以上。但是因1.2709材料過于昂貴的價格（動輒1000元/kg以上，主要來自昂貴的冶煉成本）使得它基本不可能被大規(guī)模應用到商業(yè)模具中。借助3D打印以粉末形式重新來到壓鑄模具市場后，高Ni高Co的合金成分又阻礙了它粉末成本的進一步下降。

很難降到200元/kg以下，除非賠錢做。2709雖然具有優(yōu)秀的抗回火能力，但是對于3D打印壓鑄模具來說，并非是第一性能。這是因為首先3D打印模具不是用來提高壽命的，而是借助隨形水路用來實現(xiàn)額外功能的。所以模具需要高導熱能力以充分發(fā)揮隨形水路能力、降低水路設計難度，而2709的熱導率僅為H13的三分之二以下。其次，當隨形水路設計到位后，模具本身的熱負荷降低很多，不需要特別高的抗回火能力也能實現(xiàn)較好的壽命。這也就導致了2709導熱能力不足、抗回火能力過剩這種尷尬情況，被市場淘汰基本是注定的。

目前市場上的下一代壓鑄3D打印粉主要是H13類，包括市場鋼各類知名鋼材制粉如DAC55、Dievar、W350等等，不一而足。合金成本要比2709等時效鋼類更低。從鋼材分類上來看這些包括H13在內(nèi)的材料，都屬于二次硬化中溫高強鋼，經(jīng)550℃以上回火，適用于500℃下仍需要強度的工作環(huán)境。相比于300M等低合金高強鋼，它們的5Cr成分使之具有極為出色的淬透性及淬硬性，適應大厚度大截面模具的熱處理。

但是3D打印模具至少目前來說顯然不是大截面的，所以這部分同樣存在性能過剩，這部分完全可以通過降低Cr含量而轉移到更優(yōu)秀的導熱性上。并且高淬硬性對3D打印成型過程是不利的，易裂，所以這類粉的打印過程一般要比2709等時效鋼要慢一些。下一步的開發(fā)方向就是如何進一步提高導熱性，如何進一步優(yōu)化可打印性。

粉末種類經(jīng)過進一步優(yōu)化后，結合國內(nèi)的制粉能力，確實有進一步降低粉末成本的可能。屆時粉末種類預計也會在不斷的迭代中得到明確和統(tǒng)一。

打印設備
國內(nèi)廠家在開發(fā)大型打印設備方面已經(jīng)領先世界，傳統(tǒng)歐洲品牌EOS、SLM式微已極。得益于國家支撐的航空航天等項目，大型設備打印大型構件，國內(nèi)諸多廠家已經(jīng)有了相當豐富的實踐經(jīng)驗。從技術難度上講，大量采用復雜網(wǎng)格結構的鈦合金、高溫合金部件，比只需要做隨形水路的3D打印壓鑄模具要難得多，鈦合金天生的低導熱使得它的應力累積相關問題也比鋼嚴重得多，各類品控需求在設備端催生出各類監(jiān)控需求及相關設備、方法，包括但不限于：

聲信號—聲學傳感器—氣孔率、裂紋、鋪粉高度；

光信號—高速攝像機、光電二極管—粉末熔凝、熔池形貌、交叉污染；

熱信號—熱像儀、CCD相機—熔池面積、熔池溫度、熔池尺寸/飛濺/冷卻速率；

3D打印機的激光源、振鏡、風場、程序等等方面已經(jīng)相當充分的市場化，價格下落很多。涉及品控的上述功能及相關配件、系統(tǒng)，如果是針對特型粉、專一用途例如模具打印的特型機來配套，并且規(guī)�；�，價格必然是要下探的。也就是講專機專粉+規(guī)�；�，必然會將成本進一步下降。3D打印中打印機機時費是粉末之外的最大頭，國內(nèi)包括鉑立特、E-Plus在內(nèi)都推出了10激光的米級通用設備。按每個激光頭成型效率15cm3/h計算，10頭總共為150cm3/h，一小時約打印1.2kg，專用機不換粉的話機時費目前可到500元/h，相當于克價不到0.42元/g。與上面估算的降低后克價已經(jīng)很接近了，并且顯然如果是特型機的話還有再優(yōu)化的空間。

所謂特型機就是專門打印模具、或者特定模具部件（鑲件、水套、型芯等等）的設備。通用機的設計是要滿足打印鋁、鈦、鎳、鋼等多種材料、多種部件的需要。所以要多方兼顧、追求通用性。也就必然很難針對專一用途進行優(yōu)化、降成本。對于模具打印而言，特定的粉末、特定優(yōu)化的激光、尺寸、基板、刮刀，必然效率要超過通用機，也就會讓成本進一步下降，效率進一步提高。

未來趨勢
從上面的討論我們了解到3D打印壓鑄模具是完全可以進一步降低成本的，甚至我們可能已經(jīng)遠遠的看到了追趕傳統(tǒng)機加工減材制造的背影。可以想象如果3D打印做模具的總價真的來到0.5元/g，或者說500元/kg這個級別，很多模廠老總們要掏出小本本好好合計下一臺設備到底是該投一臺NC還是一臺3D打印機了。

畢竟當價格下來后，3D打印的靈活性優(yōu)勢會被最大程度的發(fā)揮出來。這個所謂的靈活性不光是講隨形水路帶走熱量這一個層面，而是講模具的性能有機會被控制、從而實現(xiàn)最大的性價比。大家知道模具失效主要有兩種，或早或晚總會發(fā)生的必然類失效，比如熱龜裂；以及受各類因素影響的偶發(fā)類失效，比如開裂漏水掉塊。在目前汽車新能源革命的場景下，5萬模內(nèi)必然失效程度可接受/不發(fā)生偶發(fā)失效的鑲件，比50萬模必然失效程度可接受/不發(fā)生偶發(fā)失效的鑲件要實際得多，性價比高得多。

因為新車迭代太快，就像智能手機剛出來時一樣，很多設計半年后就過時，生產(chǎn)工具過長的壽命并無意義甚至是負擔。同樣為了多余壽命而支出的多余強度、多余韌性、多余價格、多余交期，對于企業(yè)來說都是不利的。3D打印借助于隨形水路，可以有機會來調(diào)控模具的生產(chǎn)負荷，通過合理設計可以使一款經(jīng)濟合適的粉材及打印工藝滿足使用需求，也就不必在這些地方再進行額外的支出，從而為企業(yè)降本增效。比如原先一個鑲件需要PVD來抗粘鋁，現(xiàn)在做一個3D件，粘鋁5萬模內(nèi)很ok，那么PVD的成本也就節(jié)省了。其他方面亦是如此。