透过应用看金属3D打印模具发展现状、挑战及趋势
尽管金属3D打印模具的优势已得到充分证明并已多次提出，但其应用进展仍然缓慢。一方面由于最初对材料性能的担忧，另一方面由于市场对3D打印技术相关的特定成本与产品生命周期价值缺乏了解，但更重要的是，缺乏如何应用3D打印技术并将其集成到工厂中的专业知识。本期，3D科学谷将结合模具与金属3D打印目前结合的态势来理解金属3D打印模具的发展趋势。
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金属3D打印
来源：GF加工方案
....随形冷却的渐进发展
l 计算投资价值
模具制造商通常承受着来自客户的巨大压力，要求以最低的价格制造模具。此外，虽然3D打印的模具镶件可以在交货时间、质量和生产率方面带来巨大收益，但从制造环节上通常会导致每个3D打印的镶件产生额外的制造成本。因此，模具制造商必须精确计算额外投资的价值并向最终客户证明。
▲3D打印注塑模具成本效益分析及创新性应用
来源：GF
l 与常规模具制造工艺集成
限制金属3D打印技术在模具领域应用的最后因素是缺乏将其无缝集成到常规生产线中的解决方案，这也是3D打印在模具制造中应用的关键挑战。
因为在模具制造领域，增材制造的镶件需要经过后期的CNC数控加工来获得模具所需的高表面质量，金属3D打印技术与传统加工工艺的无缝集成势在必行。在集成的方案中，不仅要包括考虑到所有制造阶段的软件，还要提供全套的解决方案从而将3D打印设备、材料、CNC数控加工、夹具、自动化解决方案等多个要素结合在一起，组成了一个有效的制造生态系统，从而提高可操作性，降低成本和复杂性。
GF加工方案已瞄准了这一痛点，GF结合了多年的模具应用与金属增材制造的专业知识，为模具制造商开发了一套从软件到最终加工的完整解决方案。
▲金属3D打印
来源：GF加工方案
l 3D打印技术本身的挑战
基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印技术（LPBF）通常被用于加工随形冷却模具，这些模具的表面光洁度至关重要，因为它们将决定最终注塑零件的外观。因此，至关重要的是，在3D打印模具镶件时必须具有非常稳定的打印过程，以生产出高密度零件，从而在后加工后实现完美的表面光洁度，这些是3D打印技术本身最具挑战性的要求。
模具应用的另一个挑战是与增材制造工艺可以处理的材料相关，基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印技术（LPBF）本质上是焊接过程，模具中常用的通过淬火达到硬化状态的材料由于焊接性能较差而在大多数情况下不适合通过3D打印来加工。在3D打印模具制造中，通常使用不用于模具制造但可以满足模具需求的金属材料，最常见的材料是马氏体时效钢。
金属粉末供应商正在对新材料进行研究，以便满足模具的特定需求（硬度，耐腐蚀性等），同时仍可进行高质量的3D打印。
▲金属粉末
来源：GF加工方案
创新方案释放3D打印潜能
虽然许多公司已经从随形冷却中获得效率提高的好处，但从经济可行性的角度考虑还需要开创一些创新的”混合零件“，尤其是对于需要大量材料的零件，因为增材制造的价格本质上与要打印的材料量有关。
为了克服这些挑战并将3D打印技术有效地集成到模具加工工序中，制造商可以通过预先加工“预成型件”，然后使用增材制造技术来在其基础上制造具有其增材制造特点的零件，从而优化这些模具镶件的制造经济性。
GF 加工方案与其合作伙伴3D Systems开发了独特的”混合零件” 制造方案，该方案将减材制造技术与增材制造技术相结合，能够以自动化的方式在瓶坯模具上进行高精度3D打印。
▲混合型模具镶件，在预成型件的顶部3D打印
来源：GF加工方案
l 注塑模具
在过去几年中，金属3D打印技术在模具制造领域耕耘的应用以及研究都集中于随形冷却通道制造所带来的优势。典型的优势包括减少注塑模具注射成型的周期，金属增材制造技术所实现的冷却通道设计优化，释放了减少模具冷却时间的潜能，这一点已获得了普遍认可。但这并不是3D打印技术提升模具冷却性能所带来的唯一优势。
▲3D打印具有随形冷却通道的热流道
来源：GF加工方案
塑料零件的质量与注塑模具相关，尤其是如何实现均匀冷却和消除热点对最终塑料零件质量的影响很大。设计随形冷却通道的主要目的是获得恒定的温度梯度，从而避免收缩不均。这允许在注射过程之后更可重复的过程和更可预测的零件变形，同时还减少了通常需要补偿变形的机械工具调整的需求。消除了开发阶段常见的机械调整需求，从而减少了原型迭代，并加快了上市时间。
l 高压压铸模具
虽然金属3D打印技术的大多数模具用户都在注塑模具领域，但3D打印随形冷却技术的应用已引起了高压压铸企业的兴趣。
高压压铸过程中的喷涂工艺主要有两个目的：润滑以改善脱模性，以及作为喷涂介质起到冷却作用。工业上的发展趋势是尝试减少或消除喷涂步骤，而采用随形冷却设计是为了减少喷涂需求，延长模具寿命并保持铸件的质量，铸件的表面质量与铸模的表面质量相关。
▲3D打印带有随形冷却通道的模具
来源：GF加工方案
无论是注塑还是高压压铸，随形冷却设计和增材制造的结合通常都会简化模具设计。通过减少需要组装的部件的数量（称为组装加固），从而消除或减少密封的需要。所有的注塑车间都目睹了密封失效的后果，并且非常了解与冷却泄漏有关的停机事件。
目前，在使用3D打印模具镶件的注塑和高压压铸公司内部看来，金属3D打印技术用于随形冷却模具制造已经成熟。我们将越来越多的看到金属3D打印不再仅仅用于原型设计部门，而是在生产环境中使用。尽管如此，工业领域的投资决策是漫长的，并且是基于透彻的投资与回报思考。在这方面，GF加工方案开发的完整解决方案可改善金属增材制造生态系统，并以扎实的技术专长为模具制造提供支持。
3D科学谷Review
3D科学谷在《3D打印模具的价值怎么衡量？》一文中，分析了3D打印技术随形冷却模具中容易被模具制造用户所忽略的价值，包括材料的节约，后期机加工过程中对刀具磨损的减少，以及对机床占用成本的降低等等。因此，衡量模具的价值也从单纯评估模具的价格，转变为全生命周期（模具3D打印生产，后处理加工，注塑过程模具寿命，注塑成功率，产品质量等等），包含了各方面因素的附加值创造考量。
在3D科学谷的《案例看汽车零件压铸模具3D打印应用中的挑战与价值》一文中，则洞悉了3D打印技术在汽车零件压铸模具制造中的应用挑战、应用价值。
更多信息，请参考3D科学谷发布的《3D打印与模具行业白皮书2.0》-上篇》《3D打印与模具行业白皮书2.0》-下篇》。此外，3D科学谷将在近期分享中国模具制造企业在应用增材制造技术的过程成所遇到的挑战与痛点，以及增材、减材集成化模具制造解决方案能够为模具增材制造带来的价值，敬请关注。
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主题：
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—德国 EOS 工业级塑料、金属3D打印解决方案
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