3D打印怎样应对轮胎模具复杂花纹的铸造工艺困扰与改良更新需求？
随着全球公路建设和汽车工业的发展，汽车对轮胎的性能要求在不断提升，轮胎结构也在不断改进，轮胎花纹样式随之持续更新。因此对轮胎模具特别是高精度子午线轮胎模具的质量要求越来越严格。
各类车辆轮胎是由轮胎模具硫化成型制造的，轮胎模具的作用包括硫化和成型。轮胎产品中的花纹、图案、字体及其他外观特征皆由轮胎模具成型而来。对于精密子午线轮胎而言，轮胎花纹的加工精度直接影响到轮胎的性能。这对轮胎花纹加工提出的了挑战。
根据3D科学谷的市场观察，3D打印技术已逐渐融入到了轮胎模具花纹的制造工艺中。在《钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用》一文中，3D科学谷曾结合案例透视了金属3D打印技术在轮胎模具钢片制造、花纹块模具制造中的应用、价值以及潜在应用。
在过去的5年，不仅金属3D打印在轮胎模具的加工方面获得了长足的技术发展，塑料3D打印通过与精密铸造工艺的结合在轮胎模具方面获得了独树一帜的发展。本期，3D科学谷将结合联泰科技的塑料3D打印在轮胎模具领域的解决方案，透视光固化3D打印技术怎样融入高性能轮胎的模具制造中，如何为轮胎模具铸造工艺创造附价值。
轮胎模具分类及制造工艺
轮胎模具是一种耗材产品，其市场规模的变化与轮胎产量的变化基本一致。根据信达证券的数据，2021年全球轮胎模具市场规模约150亿元。全球汽车产业进入成熟期，增速放缓，但预计随着疫情影响逐渐消退，需求将会复苏，全球轮胎模具市场规模有望保持低速稳增状态，预计到2025年达174亿元。此外，轮胎花纹改良更新速度较快，实际生产中只有 20%的轮胎模具是因损耗需要更新，而 80%是由于过时等原因，也就是说多数轮胎模具制造需求源于下游应用市场对于产品迭代的需求。
轮胎模具是高技术含量、高精密度和高附加值的产品，是一种个性化属性较强的模具。因轮胎模具的质量直接影响到轮胎的质量。
▲© 3D科学谷白皮书
如按照胎体结构划分，轮胎分为斜交线轮胎和子午线轮胎。2019年，全国汽车轮胎的子午化率已达94%，本文接下来将要探讨的也是子午线轮胎模具。
子午线轮胎可根据帘线材料的不同分为半钢丝子午线轮胎和全钢丝子午线轮胎，分别对应的模具为半钢子午线轮胎模具和全钢子午线轮胎模具。近年来，轮胎模具的发展趋势为结构上从两半模具发展到活络模具，材质上包括钢质和铝质。
轮胎的性能包括具有优越的耐磨性、防滑性、散热性、排水性、操作稳定性等，这些性能要求对轮胎模具的花纹结构提出了特殊要求与挑战。子午线轮胎模具中的花纹结构往往呈现出空间三维扭曲，弧度多，角度多的特点。高性能子午线轮胎（如：冬季胎或雪地胎）花纹块中的窄缝是由模具上相对应的钢片成型的。
▲© 3D科学谷白皮书
子午线轮胎模具花纹制造工艺包括：手工钢片镶嵌、电火花加工、精密铸造、高速雕刻花纹。除此之外金属3D打印有望成为一种新的轮胎模具一体化花纹块制造方式。
手工镶嵌钢片-若模具上钢片数量少，并且钢片高度较大时，通常采用人工镶嵌方式。但是当模具中钢片数量多并且密集时，若采用镶嵌的方式来加工钢片，由于缺少操作空间致使镶嵌时和压紧时工具很难施展，并且劳动强度大，人工镶嵌则不可避免的会损伤模具表面，镶嵌后的钢片精度和牢固性也难以保证。金属3D打印制造钢片是目前轮胎模具企业主要的3D打印应用方向，在应对少量、多样化和复杂的钢片方面发挥了价值，但仍无法克服镶嵌方式本身的挑战。
精密铸造-通常用于生产半钢轮胎模具，该工艺在零件的复杂性和材料适应性方面具有优势。但铸型的制造流程繁琐，需要的工艺装备多，成本较高。光固化3D打印技术融入铸造流程中，有望通过数字化制造的属性提高带有复杂花纹的轮胎模具铸造的精密度和效率，在应对轮胎花纹更新换代需求时，也易于在模具制造环节中做出灵活的反应。
电火花加工-在加工复杂型腔、微孔和超硬、脆性材料等方面具有不可替代的独特优势，是模具制造中不可或缺的加工方法。电加工方式存在的挑战包括电极损耗比较大，型腔花筋根部容易出现圆角等。
高速雕刻花纹-高速加工技术用于制造模具具有切削效率高、加工精度高、表面质量好等优势。但是设备和刀具成本较高，投入较大；对于花纹钢片比较多、花纹锐角较尖的花纹图案，存在加工难度很大的问题。
金属3D打印花纹块制造-在制造钢片一体化花纹块方面存在独特优势。但在生产成本及满足尺寸精度和表面光洁度要求方面仍存在挑战。该技术目前仍处于应用探索早期。
精密铸造+3D打印
应对花纹复杂性及工艺制造困扰
精密铸造作为是轮胎模具制造中最重要的制造技术之一，尤其在半钢子午线轮胎的生产中具有主导的地位。全球至少有90%以上的半钢子午线轮胎的生产采用精密铸造铝合金模具。
尤其对于多钢片的雪地胎轮合金模具，通常采用精密铸造工艺制造。在制造时，首先要加工基础模，基础模与轮胎的形状一致，基础模上面加工安放钢片的沟槽，并在上面贴好基础钢片，然后将基础模反过来翻硅胶膜（与模具是一样的），在基础模上凸起的钢片，在硅胶膜中就是凹下去的细缝，此时需要在这些细缝中安放事先加工好的钢片，然后将硅胶膜反过来翻石膏模（与轮胎一致），石膏模烘干后，放入砂箱内，进行轮胎模具铸造。
▲传统轮胎模具铸造工艺
© 联泰科技
在轮胎模具制造过程中有两大技术难点，一是拥有复杂花纹的轮胎模具，这类模具需要复杂的零件加工死角手工修饰，有的还需要手工镶嵌钢片修饰。特别是高性能的轮胎模具，如冬季胎、雪地胎，或是特殊设计的轮胎，需要大量的钢片修饰，有的模具甚至需要上千枚钢片，工艺难度几何增加。二是铸造工艺制造流程繁琐，需要的周期长。
▲轮胎模具数字化3D打印解决方案
© 联泰科技
联泰科技针对这些痛点，打造了轮胎模具数字化3D打印解决方案，将3D打印工艺融入至轮胎模具制造工艺中，以3D打印技术进行带花纹的一体化基础木模快速制造，替代传统铸造工艺流程中翻硅胶膜以前的一系列繁复工序。
© 联泰科技轮胎模具3D打印解决方案
这一解决方案包括专用3D打印设备，打印材料、制作流程工艺包、后处理方案、以及3D打印云平台系统，以及联泰独创的数字化工艺参数包等。
l 3D打印设备
联泰科技基于光固化3D打印技术开发了适用于轮胎模具行业的3D打印设备--RA600，旨在解决轮胎行业成本高、效率低、工艺复杂等问题，为轮胎模具行业实现智能制造提供支持。
© 联泰科技
RA600 3D打印设备机身配备了高端的光电元器件，结合联泰科技自身研发的高效稳定的控制方案，为打印的稳定性提供保证。通过RA600设备3D打印的轮胎铸造基础模具花纹细节高度还原，花纹沟槽尺寸偏差控制在±0.05mm，圆度偏差控制在±0.05mm。可实现人工难以企及的复杂形状一体化呈现，极大程度提升了轮胎模具的设计空间。
▲RA600轮胎模具专用3D打印设备
© 联泰科技
同时，也将改善手工修饰和钢片镶嵌这一繁杂工艺，缩短生产周期，提高整体效率，并且节约大量的人力成本和生产成本。此外，利用3D打印解决方案，轮胎模具工厂还可以做到随需随打，减少库存压力，甚至可以做到零库存，灵活应对轮胎花纹及轮胎模具设计迭代的需求。
© 联泰科技
l 数字化生产管理系统
联泰科技的轮胎模具3D打印解决方案，还包括自主开发的数据前处理软件Polydevs、打印控制软件RSCON/DSCON，工艺算法软件BP以及数字化生产管理协同系统Unionfab，构建了3D打印软件系统的完整布局，旨在颠覆传统生产流程，优化数据准备环节，简单易用实施便捷，生产信息精细管理，满足企业IT管理要求。
3D打印在成就复杂花纹的轮胎模具方面具备不可替代的优势，这使轮胎制造实力的竞争变得更加综合，轮胎模具制造用户对3D打印技术在制造工艺中的应用保持了清晰的开放态度。3D科学谷也将对轮胎模具3D打印产业化应用的发展保持关注。
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。
《轮胎模具制造技术现状及发展》
《子午线轮胎模具钢片加工工艺》
《轮胎活络模具花纹块电火花加工工艺的研究应用》
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