3D打印應(yīng)用在汽車零件壓鑄模具中的挑戰(zhàn)與價值

3D打印應(yīng)用在汽車零件壓鑄模具中的挑戰(zhàn)與價值

        制造隨形冷卻水路是選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)（即Selective Laser Melting ，簡稱SLM工藝）為注塑模具制造帶來的變革性應(yīng)用。在這一應(yīng)用中，模具冷卻水路的制造避免了交叉鉆孔的限制，3D打印的隨形冷卻水路還可以根據(jù)冷卻要求進行不同的冷卻回路設(shè)計，從而以一致的速度進行散熱，以促進散熱的均勻性。

       然而這一應(yīng)用在實際推廣中所面臨的挑戰(zhàn)之一是模具制造商易于感知到的制造成本較之傳統(tǒng)模具有所上升，但隨形冷卻水路為整個注塑生產(chǎn)周期所帶來的附加價值容易被用戶所忽略。有關(guān)3D打印隨形冷卻模具的價值，同樣的挑戰(zhàn)也存在于壓鑄模具3D打印隨形冷卻水路的應(yīng)用中。北美壓鑄模具制造商Exco Engineering在大型汽車零件壓鑄模具制造中應(yīng)用了3D打印隨形冷卻水路，他們利用3D打印隨形冷卻水路鑲件克服現(xiàn)有模具在壓鑄過程中所存在的熱失衡問題，先后克服了3D打印模具鑲件材料，建立了設(shè)計法則，并對3D打印模具的制造成本以及為汽車零件壓鑄生產(chǎn)所帶來的價值進行了衡量。本期，將分享Exco 對壓鑄模具3D打印隨形冷卻水路的應(yīng)用探索，通過這一案例洞悉3D打印技術(shù)在汽車零件壓鑄模具制造中的應(yīng)用挑戰(zhàn)、應(yīng)用價值。

Exco 3D打印壓鑄模具隨形冷卻鑲件。

block 設(shè)計、材料、工藝，全面探索3D打印隨形冷卻應(yīng)用

      Exco 是一家高壓壓鑄模具制造商，其客戶包括北美三大汽車制造商。Exco 生產(chǎn)幾種關(guān)鍵汽車零件的壓鑄模具，包括發(fā)動機缸體模具，分動器模具，儀表盤和車身面板模具，車輪以及發(fā)動機支架模具。Exco交付給客戶的某些模具，例如V8發(fā)動機缸體模具，可能重達數(shù)十噸。
 
       Exco生產(chǎn)的典型壓鑄模具由多個零件組成，其中一些零件需要復(fù)雜的機械加工才能實現(xiàn)復(fù)雜的功能，例如穿線和冷卻水路。模腔鑲件就是其中一個很好的例子，由于幾何形狀復(fù)雜，模腔鑲件需要單獨進行加工，在完成后被插入模具的凹槽中。雖然將鑲件獨立加工，可以使切削刀具在加工時接近零件的外表面，但受限于機械加工方式，鑲件內(nèi)部的冷卻水路仍限于基本的線性形狀。這將會導致在鑄造中和鑄造后模具冷卻過程中的熱失衡，進而為零件鑄造帶來一些問題。

      Exco團隊通過熱應(yīng)力模擬和實際測試，對粉末床激光熔化3D打印技術(shù)在壓鑄模具制造中應(yīng)用進行了多年的研究，在這一過程中，他們逐漸找到了冷卻水路的增材制造設(shè)計經(jīng)驗法則，并找到了適合的打印材料與改善打印質(zhì)量的方式。

       其增材制造部門還對3D打印壓鑄模具在下游的應(yīng)用進行了研究，包括使用3D打印的壓鑄模具鑄造汽車動力傳統(tǒng)系統(tǒng)、車身和結(jié)構(gòu)零部件。在壓鑄工藝中，熔融金屬在高壓下被壓入模具的型腔，這一過程對于金屬3D打印模具來說是一種極為惡劣的工作環(huán)境。

      在模具冷卻水路的設(shè)計方面，Exco 團隊通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了壓鑄模具冷卻水路設(shè)計的突破。典型鑲件冷卻通道設(shè)計的經(jīng)驗法則是，通道距壓鑄模具表面不小于0.75英寸（1.905厘米），小于這個距離都將面臨失敗。然而，熱力學和機械仿真驗證以及3D打印技術(shù)，使得Exco團隊采用隨形冷卻通道突破這一設(shè)計極限，縮小了冷卻通道與壓鑄模具表面的距離。

熱圖顯示了常規(guī)（線性）冷卻水路與3D打印隨形冷卻水路相比所產(chǎn)生的巨大溫差。來源：AM
        Exco 在3D打印隨形水路鑲件開發(fā)中遇到了材料方面的挑戰(zhàn)。以往使用的模具標準材料H13工具鋼在粉末床熔化增材制造工藝中表現(xiàn)不佳。使用H13工具鋼材料制造的部分3D打印模具零件會產(chǎn)生破裂并充滿氣孔，當Exco在20毫秒內(nèi)以13,000 PSI的壓力、水線距離表面1毫米的條件下注入金屬時，如果發(fā)生水線破裂，將帶來很大的安全隱患。即使在增材制造過程中正確的進行了設(shè)備預(yù)熱，缺陷也會持續(xù)存在。其中的原因在于，H13合金鋼中的高碳含量會導致整個材料中形成微裂紋。
 

3D打印馬氏體時效鋼專有熱處理工藝。

     對于材料中存在的挑戰(zhàn)，Exco團隊找到的解決方案是用具有低碳含量的馬氏體時效鋼替代H13工具鋼，作為模具鑲件的3D打印材料。Exco還與研究機構(gòu)合作，為3D打印馬氏體時效鋼創(chuàng)建了專有的熱處理工藝。根據(jù)Exco的驗證，結(jié)合適當?shù)臒崽幚砗蜁r效工藝，馬氏體時效鋼的總體機械性能達到并超過了用于壓鑄的傳統(tǒng)工具鋼，同時保持了較高的尺寸穩(wěn)定性和低變形。Exco已經(jīng)用馬氏體時效鋼材料制造了3D打印模具鑲件，其使用壽命超過了15萬次。

       對于打印過程中存在的彎曲和翹曲問題，Exco 通過預(yù)應(yīng)力CAD模型抵消在打印過程中發(fā)生的彎曲和翹曲。Exco后來購買了四激光器3D打印設(shè)備，其中四個400瓦光纖激光器在單獨的象限中運行，中心重疊區(qū)域為100毫米，在制造單個大型零件時，由于溫度更加穩(wěn)定，限制了零件整體變形情況。

      大型汽車壓鑄模具中的熱平衡非常難以控制，這樣一現(xiàn)象不僅會影響性能，而且還會影響鑄造周期，報廢率和人工成本。對于3D打印在壓鑄模具制造中的應(yīng)用價值Exco的體會是，增材制造-3D打印的壓鑄模具可以提供獨特的競爭優(yōu)勢，包括制造帶有隨形冷卻水路的壓鑄模具鑲件，這些3D打印水路比傳統(tǒng)水路更加貼近模具表面。帶有3D打印隨形冷卻水路的壓鑄模具在壓鑄制造時所需的循環(huán)時間減少，廢品率和人工成本都得以降低。

     3D打印技術(shù)在壓鑄模具鑲件中的應(yīng)用雖然使得制造成本提高了2-5倍，但在后續(xù)壓鑄生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不僅能夠制造出勝過傳統(tǒng)模具鑄造出的零件質(zhì)量，還節(jié)省了大量壓鑄時間，從整個壓鑄生命周期中來看，與傳統(tǒng)技術(shù)制造的鑲件相比，可以節(jié)省數(shù)千美元成本。

帶隨形冷卻水路的3D打印水套零件。

     值得一提的是，除了在壓鑄模具制造中的應(yīng)用，Exco 還將3D打印隨形冷卻水路技術(shù)應(yīng)用在了汽車發(fā)動機水套的制造中，希望通過3D打印技術(shù)克服傳統(tǒng)水套鑄造存在的問題，制造更高性能的發(fā)動機水套。水套是發(fā)動機用于轉(zhuǎn)移熱能的零件，其實就是一只多孔水管，屬于難加工零件。傳統(tǒng)制造方式中，水套壓鑄模具的表面溫度變化可能高達220°華氏度，因此在鑄件的金屬注入階段經(jīng)常會發(fā)生焊料積聚。拋光焊料所導致的機器停機，將產(chǎn)生昂貴的時間成本。除此之外，這些區(qū)域的疲勞易導致水套破裂，并導致發(fā)動機缸體本身的冷卻液和機油通道之間發(fā)生泄漏。

      Exco 的其中一家汽車制造商用戶正在測試3D打印水套。在3D打印水套零件的表面附近包含一條水線，能夠大大降低溫度的變化，并限制焊料的形成。通過3D打印技術(shù)所實現(xiàn)的水套水線設(shè)計改進，將顯著提升水套性能。Exco 認為即使是以傳統(tǒng)水套5倍的成本來制造3D打印水套，在性能方面的提升也足以體現(xiàn)出3D打印水套的價值。