德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT），一家專注于激光制造的研究機(jī)構(gòu)，與美國(guó)工程金屬零部件供應(yīng)商MacLean-Fogg合作，利用激光粉末床熔融（PBF-LB/M）技術(shù)為豐田生產(chǎn)了一款大型壓鑄模具。該項(xiàng)目標(biāo)志著首次成功展示了具有冷卻功能的大體積模具，這得益于新開(kāi)發(fā)的模具鋼L-40。

這款增材制造的鋁壓鑄模具是豐田雅力士混合動(dòng)力車型變速箱殼體模具的一部分

隨著電氣化與成本競(jìng)爭(zhēng)重塑整車平臺(tái)，汽車制造商正面臨將零件整合為更少但更大鋁部件的壓力。這一轉(zhuǎn)變對(duì)壓鑄模具提出了更高要求：模具必須抵抗極端的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)能夠快速適應(yīng)設(shè)計(jì)變更。傳統(tǒng)加工方式及 H11、H13或M300等模具鋼在大規(guī)模生產(chǎn)中難以滿足這些需求，因此Fraunhofer ILT與 MacLean-Fogg將重點(diǎn)放在新型機(jī)床概念與材料上。豐田在系列生產(chǎn)中已經(jīng)使用小型增材制造模具，并報(bào)告稱其使用壽命顯著長(zhǎng)于傳統(tǒng)模具，最高可達(dá)4倍壽命。

傳統(tǒng)制造與增材制造工具使用壽命的對(duì)比
 

Fraunhofer ILT激光粉末床熔融（LPBF）工藝技術(shù)組組長(zhǎng)Niklas Prätzsch解釋道：“要克服這些局限性，我們需要新一代專門(mén)針對(duì)大尺寸高壓鑄（HPDC）模具需求的機(jī)床和材料。正是這種組合成為了我們最新改進(jìn)的核心。”

新型結(jié)構(gòu)采用復(fù)雜的冷卻通道（下圖），取代了傳統(tǒng)的銷釘冷卻設(shè)計(jì)（上圖）

Fraunhofer ILT設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于龍門(mén)結(jié)構(gòu)的五激光器PBF-LB/M設(shè)備，構(gòu)建腔體尺寸為1,000×800×350mm³。與固定床系統(tǒng)不同，該設(shè)備采用可移動(dòng)加工頭并輔以局部防護(hù)氣體引導(dǎo)，使氣體流速和激光偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)在構(gòu)建區(qū)域擴(kuò)大時(shí)保持恒定。這一設(shè)計(jì)使得制造體積超過(guò)20000cm3的內(nèi)襯成為可能，其包絡(luò)盒尺寸為 515×485×206mm³。加熱至200℃的基板在構(gòu)建過(guò)程中減少了溫度梯度，從而降低了大型幾何結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的殘余應(yīng)力和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

材料開(kāi)發(fā)同樣至關(guān)重要。MacLean-Fogg開(kāi)發(fā)了L-40鋼，這是一種專為高壓鑄模具增材制造設(shè)計(jì)的鋼材。與現(xiàn)有合金相比，L-40在打印和熱處理過(guò)程中開(kāi)裂傾向明顯降低。在成型狀態(tài)下，該合金硬度可達(dá)48 HRC，抗拉強(qiáng)度1420MPa，缺口沖擊強(qiáng)度超過(guò)60J。測(cè)試結(jié)果證實(shí)其在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性，包括圓形和懸垂冷卻通道——這些結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)鋼材常常無(wú)法勝任。

在豐田變速箱殼體項(xiàng)目中，團(tuán)隊(duì)采用了混合生產(chǎn)方法：首先常規(guī)制造帶有垂直冷卻通道的預(yù)成型件，然后在其上增材制造冷卻通道。這一過(guò)程要求機(jī)床高度精確校準(zhǔn)，以保證兩部分的準(zhǔn)確對(duì)齊和可靠結(jié)合。完成后，模具進(jìn)行應(yīng)力消除退火，其功能面則采用傳統(tǒng)銑削加工。由于增材制造基體尺寸精度高，僅需極少量后處理加工，無(wú)需額外材料投入。

MacLean-Fogg產(chǎn)品管理總監(jiān)Harald Lemke表示：“使用L-40，我們的目標(biāo)是突破增材制造在熱、冷成形模具，尤其是壓鑄模具領(lǐng)域的極限。該項(xiàng)目證明，生產(chǎn)大型、復(fù)雜且高耐久性的模具在技術(shù)上是可行的，同時(shí)也明確了達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行性的關(guān)鍵里程碑。增材制造已準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)真正的工業(yè)規(guī)模挑戰(zhàn)。”

得益于Fraunhofer ILT的龍門(mén)式大尺寸系統(tǒng)，即便是復(fù)雜且耐用的模具，體積超過(guò)20000cm³，也能實(shí)現(xiàn)可重復(fù)打印

早期研究顯示，增材制造模具的壽命可達(dá)傳統(tǒng)H13的4倍，而本項(xiàng)目則將這一優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展至更大規(guī)模的應(yīng)用。對(duì)制造商而言，這意味著模具更換次數(shù)減少、成本降低，同時(shí)對(duì)新設(shè)計(jì)需求的響應(yīng)速度更快。

除了汽車壓鑄領(lǐng)域，該工藝鏈還可應(yīng)用于其他需要耐用且冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具的領(lǐng)域。潛在的延伸應(yīng)用包括塑料加工和復(fù)合材料成型，這些領(lǐng)域由于批量有限且熱負(fù)荷高，同樣需要更高韌性的模具。隨著一體化鑄造和電動(dòng)化車輛平臺(tái)進(jìn)一步提高模具需求，可擴(kuò)展的增材制造系統(tǒng)為更快速、更靈活、使用壽命更長(zhǎng)的生產(chǎn)模具提供了可能路徑。

來(lái)源：榮格-《國(guó)際金屬加工商情》

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