盡管金屬3D打印模具的優(yōu)勢已得到充分證明并已多次提出，但其應用進展仍然緩慢。一方面由于*初對材料性能的擔憂，另一方面由于市場對3D打印技術相關的特定成本與產(chǎn)品生命周期價值缺乏了解，但更重要的是，缺乏如何應用3D打印技術并將其集成到工廠中的專業(yè)知識。本期，3D科學谷將結(jié)合模具與金屬3D打印目前結(jié)合的態(tài)勢來理解金屬3D打印模具的發(fā)展趨勢。
金屬3D打印。來源：GF加工方案
隨形冷卻的漸進發(fā)展
壓力與挑戰(zhàn)
l 計算投資價值
模具制造商通常承受著來自客戶的巨大壓力，要求以*低的價格制造模具。此外，雖然3D打印的模具鑲件可以在交貨時間、質(zhì)量和生產(chǎn)率方面帶來巨大收益，但從制造環(huán)節(jié)上通常會導致每個3D打印的鑲件產(chǎn)生額外的制造成本。因此，模具制造商必須精確計算額外投資的價值并向*終客戶證明。
3D打印注塑模具成本效益分析及創(chuàng)新性應用。來源：GF
l 與常規(guī)模具制造工藝集成
限制金屬3D打印技術在模具領域應用的*后因素是缺乏將其無縫集成到常規(guī)生產(chǎn)線中的解決方案，這也是3D打印在模具制造中應用的關鍵挑戰(zhàn)。
因為在模具制造領域，增材制造的鑲件需要經(jīng)過后期的CNC數(shù)控加工來獲得模具所需的高表面質(zhì)量，金屬3D打印技術與傳統(tǒng)加工工藝的無縫集成勢在必行。在集成的方案中，不僅要包括考慮到所有制造階段的軟件，還要提供全套的解決方案從而將3D打印設備、材料、CNC數(shù)控加工、夾具、自動化解決方案等多個要素結(jié)合在一起，組成了一個有效的制造生態(tài)系統(tǒng)，從而提高可操作性，降低成本和復雜性。
GF加工方案已瞄準了這一痛點，GF結(jié)合了多年的模具應用與金屬增材制造的專業(yè)知識，為模具制造商開發(fā)了一套從軟件到*終加工的完整解決方案。
金屬3D打印。來源：GF加工方案
l 3D打印技術本身的挑戰(zhàn)
基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術（LPBF）通常被用于加工隨形冷卻模具，這些模具的表面光潔度至關重要，因為它們將決定*終注塑零件的外觀。因此，至關重要的是，在3D打印模具鑲件時必須具有非常穩(wěn)定的打印過程，以生產(chǎn)出高密度零件，從而在后加工后實現(xiàn)完美的表面光潔度，這些是3D打印技術本身*具挑戰(zhàn)性的要求。
模具應用的另一個挑戰(zhàn)是與增材制造工藝可以處理的材料相關，基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術（LPBF）本質(zhì)上是焊接過程，模具中常用的通過淬火達到硬化狀態(tài)的材料由于焊接性能較差而在大多數(shù)情況下不適合通過3D打印來加工。在3D打印模具制造中，通常使用不用于模具制造但可以滿足模具需求的金屬材料，*常見的材料是馬氏體時效鋼。
金屬粉末供應商正在對新材料進行研究，以便滿足模具的特定需求（硬度，耐腐蝕性等），同時仍可進行高質(zhì)量的3D打印。
金屬粉末。來源：GF加工方案
創(chuàng)新方案釋放3D打印潛能
混合型模具
雖然許多公司已經(jīng)從隨形冷卻中獲得效率提高的好處，但從經(jīng)濟可行性的角度考慮還需要開創(chuàng)一些創(chuàng)新的”混合零件“，尤其是對于需要大量材料的零件，因為增材制造的價格本質(zhì)上與要打印的材料量有關。
為了克服這些挑戰(zhàn)并將3D打印技術有效地集成到模具加工工序中，制造商可以通過預先加工“預成型件”，然后使用增材制造技術來在其基礎上制造具有其增材制造特點的零件，從而優(yōu)化這些模具鑲件的制造經(jīng)濟性。
GF 加工方案與其合作伙伴3D Systems開發(fā)了獨特的”混合零件” 制造方案，該方案將減材制造技術與增材制造技術相結(jié)合，能夠以自動化的方式在瓶坯模具上進行高精度3D打印。
混合型模具鑲件，在預成型件的頂部3D打印。來源：GF加工方案
隨形冷卻應用
l 注塑模具
在過去幾年中，金屬3D打印技術在模具制造領域耕耘的應用以及研究都集中于隨形冷卻通道制造所帶來的優(yōu)勢。典型的優(yōu)勢包括減少注塑模具注射成型的周期，金屬增材制造技術所實現(xiàn)的冷卻通道設計優(yōu)化，釋放了減少模具冷卻時間的潛能，這一點已獲得了普遍認可。但這并不是3D打印技術提升模具冷卻性能所帶來的唯一優(yōu)勢。
3D打印具有隨形冷卻通道的熱流道。來源：GF加工方案
塑料零件的質(zhì)量與注塑模具相關，尤其是如何實現(xiàn)均勻冷卻和消除熱點對*終塑料零件質(zhì)量的影響很大。設計隨形冷卻通道的主要目的是獲得恒定的溫度梯度，從而避免收縮不均。這允許在注射過程之后更可重復的過程和更可預測的零件變形，同時還減少了通常需要補償變形的機械工具調(diào)整的需求。消除了開發(fā)階段常見的機械調(diào)整需求，從而減少了原型迭代，并加快了上市時間。
l 高壓壓鑄模具
雖然金屬3D打印技術的大多數(shù)模具用戶都在注塑模具領域，但3D打印隨形冷卻技術的應用已引起了高壓壓鑄企業(yè)的興趣。
高壓壓鑄過程中的噴涂工藝主要有兩個目的：潤滑以改善脫模性，以及作為噴涂介質(zhì)起到冷卻作用。工業(yè)上的發(fā)展趨勢是嘗試減少或消除噴涂步驟，而采用隨形冷卻設計是為了減少噴涂需求，延長模具壽命并保持鑄件的質(zhì)量，鑄件的表面質(zhì)量與鑄模的表面質(zhì)量相關。
3D打印帶有隨形冷卻通道的模具。來源：GF加工方案
無論是注塑還是高壓壓鑄，隨形冷卻設計和增材制造的結(jié)合通常都會簡化模具設計。通過減少需要組裝的部件的數(shù)量（稱為組裝加固），從而消除或減少密封的需要。所有的注塑車間都目睹了密封失效的后果，并且非常了解與冷卻泄漏有關的停機事件。
目前，在使用3D打印模具鑲件的注塑和高壓壓鑄公司內(nèi)部看來，金屬3D打印技術用于隨形冷卻模具制造已經(jīng)成熟。我們將越來越多的看到金屬3D打印不再僅僅用于原型設計部門，而是在生產(chǎn)環(huán)境中使用。盡管如此，工業(yè)領域的投資決策是漫長的，并且是基于透徹的投資與回報思考。在這方面，GF加工方案開發(fā)的完整解決方案可改善金屬增材制造生態(tài)系統(tǒng)，并以扎實的技術專長為模具制造提供支持。