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摘要:要敏锐把握世界科技创新发展趋势,就要勇于推陈出新;模具是工业之母,在众多的模具加工工艺新技术中,增材制造是区别于传统减材制造的逆向思维,把增材制造引入模具行业是大势所趋。金属3D打印在模具加工工艺新技术的细分领域中如何能独树一帜,如何能上升为常态化使用的新型工艺技术,如何能补齐应用短板从而更好发挥新型工艺技术的独特优势,新型和传统相融共生,以此更好地把新技术得以精湛应用。本文就着重阐述金属3D打印应用如何助力模具开发降本增效,取长补短全方位提升模具工业智造能力。

1、国内3D打印技术加速发展


全球金属增材制造(AM)零部件市场预计将在未来几年经历增长。根据3D打印行业市场数据和咨询服务的领先供应商SmarTech分析公司的研究,由于对金属增材制造技术的应用和开发的重新重视以及强劲的投资,预计到2031年,全球金属3D打印零件市场将超过750亿美元。


党的十九大提出“加快建设制造强国,加快发展先进制造业”的发展战略。而就近年充斥着疫情等因素的影响,不少制造业企业步履艰难,企业感到“山重水复疑无路”,却又在等待“柳暗花明又一村”,新技术的作用在疫情期间凸显,“变则通,通则达”,主动拥抱新技术数字化的革新浪潮,运用新一代模具智造技术给企业注入新鲜血液,必将迎接新时代发展的高光时刻!


当前,在科技创新驱动的推动下,全球增材制造技术也是百花齐放,增材制造技术的应用不断得到深入,《“十三五”国家战略新兴产业发展规划》中“增材制造(3D打印)”成为重要一员,《国家增材制造产业推进计划2017-2020》亦开始滚动编制,国内政策东风无疑对增材制造的规模化应用带来了更多的机遇。特别是在工业化应用方面,增材制造将同等于传统的减材制造和等材制造一起发挥更大的柔性作用和自身独特的优势。


3D打印技术作为第三次工业革命最具代表性、标志性的技术之一,得到制造业的广泛关注。而模具作为工业之母,模具的特定要求决定了模具本身非标工具的特性和3D打印在定制化的应用特点上不谋而合,3D打印直接打印金属模具需要解决的主要问题也成为金属3D打印模具如何更多地解决传统模具制造问题,从而形成模具加工的技术升级版。有效缩短传统模具加工多个加工环节,并且还能独特的加持新的技术特点,应用最大化的提升模具智造水平。


2、金属3D打印技术发展因素与方向


经过30多年的发展,3D打印技术不断完善,目前已形成了3D生物打印、有机材料打印、金属打印等多种打印模式,鉴于国内大型3D打印企业如铂力特等主营金属打印,本文重点论述该打印模式的特征。金属3D打印一般利用激光、电子束能量源熔化金属粉末,使得金属粉末熔结,堆积形成一个整体结构。在整个工艺中金属粉末的输入方式有两种,铺粉和送粉。根据不同送粉方式,金属3D打印工艺原理分为定向能量沉积(也称为送粉)和粉末床选区熔化(也叫为铺粉)。铺粉指把金属粉末铺到基板上,形成一个薄层,然后通过激光熔化薄层上的特定区域进而熔结在一起。与铺粉相比,送粉未形成薄层,通过粉末喷嘴直接把粉末输送到激光在基体上形成的熔池中,熔结形成一个整体。主流的金属3D打印技术根据原理可以大致分为激光选区熔化技术(SLM)、电子束熔化成形(EBM)、激光净成形技术(LENS)电子束熔丝沉积技术(EBF)。

对于金属3D打印(增材制造)而言,其特性决定了它的应用将是传统制造工艺的重要补充而非完全替代,且体现在不同行业的不同环节上应用均有所差异。据德勤咨询发布的《2019科技、传媒和电信行业预测》与《Additive manufacturing methods–state of development,market prospects for industrial use and ICT-specific challenges in research and development》,与使用数控机床相比,增材制造的每个零件成本更加高昂,且每个零件制造时间为数小时而非数分钟(同样不包含精加工和各类后期加工时间)。相对于传统制造业擅长的批量化、规模化生产领域,3D打印效率较低、成本较高。此外,3D打印机目前功能比较单一,对于不同的材料,可能需要不同型号、工艺的打印机,这就需要制造企业购置多台不同型号打印机,增加了生产成本。尽管如此,某些零件只可能通过3D打印制作,如上文所述的部件内几何蜂窝结构。另外,当零件量过低时,如原型制作以及模具应用环节,传统制造方法和减材制造工艺不适用或者成本过高、时间过长时,则也“只可”采用3D打印方法。基于3D打印自身的特点,从环节上来看,3D打印更偏向于设计端,更适用于部分小批量、个性化、定制化高端产品的设计与生产,在铸模、铸件、工具、模具和夹具上亦有更广泛的应用。


金属增材制造技术发展中有三个重要的因素,设备、材料和工艺,目前在这三方面还有提高的空间。为了扩大3D打印技术的应用规模,金属增材制造技术正在朝着低成本、大尺寸、多材料、高精度、高效率方向发展。(1)金属增材设备朝着大型化、专业化方向发展。随着对打印大尺寸结构和特定领域的需求不断增加,金属3D打印设备朝着大型化、专业化发展已经成为趋势。(2)可打印原材料不断增加,复合材料打印开始出现。目前应用于金属3D打印的原材料种类偏少、材料质量不高,随着增材制造在工业领域的不断渗透,市场对于金属3D打印可实现多材料混合打印的需求也逐步上升。此外,多种复合材料同时打印开始出现,可结合不同材料的优点。(3)开发新的金属增材制造技术。传统的金属增材制造技术存在高成本、效率低等问题,其中效率低也是限制增材制造在许多领域替代传统减材制造的关键因素之一。预计随着未来该技术的逐渐成熟,如激光功率的提高、打印路径的优化等,增材制造生产速率或有所改进。


3、金属3D打印应用助力模具开发降本增效


首先,3D打印技术对经济发展到底有什么具体的影响,一种新的技术如果不能带来经济价值也没有它的存在必要,至少很难得到快速的发展。而金属3D打印模具本身不增加额外成本,生产周期短,设计空间大,环保生产产生废料少。


其次,3D打印技术可以帮助模具设计工程师跳出原有的设计思路,让模具设计更具有挑战性,复杂零件加工时间的减少,成型周期的极大改善。技术方面,我们打印的最终产品热处理后硬度可达HRC48~52度,甚至根据工件需要还可以更高,可直接应用于模具生产,更主要的是具有随型水路为模具加装了黑科技,因为我们知道超过50%的塑件质量问题都是源自模具温度控制不均衡,成为注塑周期不能大幅度降低的瓶颈。


3.1目前模具制造业主要的行业诉求有以下几点


(1)主要是冷却时间长,不能快速脱模。


(2)在产品冷却过程中不能有效控制模具温度,模具内部温度不均衡容易导致产品变形、翘曲、等尺寸问题。

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(3)模具制造周期长及模具制造成本高,不能快速从容地应对客户对模具日益提高的要求。


3.2金属3D打印可以为之提供的解决方案有以下几点


(1)通过3D数据直接打印出模具镶件内部含有随型水道,水道内壁能更好地贴近产品,水道把产品表面的热量带走,可以有效地降低冷却时间,缩短整个成型周期,一般生产效率比传统可以提高30%以上。


(2)随型水路能均衡产品表面的温度,从而有效防止产品翘曲变形、飞边,气泡、砂眼等注塑件常规质量缺陷。


(3)金属3D打印让设计自由且可以应对产品设计变更改模要求,工艺简单化了,大大缩短了模具制作周期,减少了多个制造环节产生的制造成本。


对有些注塑模具的内部结构有深骨结构,空间壁厚限制了传统的水路设计,导致冷却周期过长,而采用随型水路创新设计,可以将注塑成型冷却时间从35 s减少至26 s,效率提高了25.7%。同时,为了更好地降低模具的制造成本还可以采用嫁接打印,也使得模具的总体制作成本降低了42%,应用价值立竿见影。


4、设备及材料助力模具开发工艺应


需要通过有水路冷却的工件就可以考虑采用金属3D打印技术,不断开发新的应用点,让更多的产品受益。比如白炽灯代替了灯泡,新技术的成熟应用可以节约成本,比如早些年热流道在刚推出的时候也度过了市场验证和认可非常的艰难的时期。

金属3D打印设备技术也在不断提高,从铺粉回程、刮粉、铺粉阶段速度可调,单层铺粉时间≤8 s,兼顾效率和铺粉质量,有效保障零件打印效率。国内市场上已有新研发的多激光模具打印设备更是大大提高了打印效率。另外,大层厚打印是提高效率的另一途径,目前有些国内外3D打印设备厂商已掌握层厚为100µm的打印工艺,最高打印速度可达单激光50µm层厚工艺的2.5倍,零件相对密度达99.99%以上。对于模具加工工艺的可靠性将更高,对于需要嫁接打印或修复的模具,开发零件自动一体嫁接技术,使用3D扫描仪来辅助进行金属件的检测和定位,嫁接精度可控制在0.05 mm以内,在能保证复合制造零件稳定性的同时,从而能大大降低复杂零件加工成本。


目前打印模具钢已开发18Ni300、17-4PH、CX、316L和H13等材料可以用于金属3D打印模具的正常使用。


增材制造已经不再是简单的一项工艺或装备那么单一,而是一个包括设计、软件、材料、工艺、装备、价值链、基因组、检测、标准等全方位创新的技术群。产业正在不断转型与升级,唯有创新才能突破传统,增材制造的技术应用正在以积淀数十载之功呼啸而来,未来必将拥有一席之地。


总结


目前越来越多的供应链加入到模具增材制造行业当中,慢慢形成一个完善的供应体系。针对前文提到的金属3D打印模具还没有大面积爆发的几个关键原因,对于设备商来说,后续会在加工速度上进行研究并有进一步的提升;对于原材料供应商来说,原材料制造技术的提升和降价是一个必然的市场趋势。


这些年来,我国增材制造技术发展迅猛,体现在非金属和金属两大方面着实为制造业带来了许多新的变革,许多行业受到了增材制造技术颠覆性影响。其中,模具是现代工业生产中的重要装备工具,其制造水平直接体现在产品的质量、效益、新产品的研发能力上。



来源:模科3D打印杨 、广发证券

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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