3D打印應(yīng)用在汽車(chē)零件壓鑄模具中的挑戰(zhàn)與價(jià)值

3D打印應(yīng)用在汽車(chē)零件壓鑄模具中的挑戰(zhàn)與價(jià)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(jiǎn)稱(chēng)SLM工藝）為注塑模具制造帶來(lái)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(jìn)行不同的冷卻回路設(shè)計(jì)，從而以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。

       然而這一應(yīng)用在實(shí)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(gè)注塑生產(chǎn)周期所帶來(lái)的附加價(jià)值容易被用戶(hù)所忽略。有關(guān)3D打印隨形冷卻模具的價(jià)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(chē)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(guò)程中所存在的熱失衡問(wèn)題，先后克服了3D打印模具鑲件材料，建立了設(shè)計(jì)法則，并對(duì)3D打印模具的制造成本以及為汽車(chē)零件壓鑄生產(chǎn)所帶來(lái)的價(jià)值進(jìn)行了衡量。本期，將分享Exco 對(duì)壓鑄模具3D打印隨形冷卻水路的應(yīng)用探索，通過(guò)這一案例洞悉3D打印技術(shù)在汽車(chē)零件壓鑄模具制造中的應(yīng)用挑戰(zhàn)、應(yīng)用價(jià)值。

Exco 3D打印壓鑄模具隨形冷卻鑲件。

block 設(shè)計(jì)、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(hù)包括北美三大汽車(chē)制造商。Exco 生產(chǎn)幾種關(guān)鍵汽車(chē)零件的壓鑄模具，包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體模具，分動(dòng)器模具，儀表盤(pán)和車(chē)身面板模具，車(chē)輪以及發(fā)動(dòng)機(jī)支架模具。Exco交付給客戶(hù)的某些模具，例如V8發(fā)動(dòng)機(jī)缸體模具，可能重達(dá)數(shù)十噸。
 
       Exco生產(chǎn)的典型壓鑄模具由多個(gè)零件組成，其中一些零件需要復(fù)雜的機(jī)械加工才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，例如穿線(xiàn)和冷卻水路。模腔鑲件就是其中一個(gè)很好的例子，由于幾何形狀復(fù)雜，模腔鑲件需要單獨(dú)進(jìn)行加工，在完成后被插入模具的凹槽中。雖然將鑲件獨(dú)立加工，可以使切削刀具在加工時(shí)接近零件的外表面，但受限于機(jī)械加工方式，鑲件內(nèi)部的冷卻水路仍限于基本的線(xiàn)性形狀。這將會(huì)導(dǎo)致在鑄造中和鑄造后模具冷卻過(guò)程中的熱失衡，進(jìn)而為零件鑄造帶來(lái)一些問(wèn)題。

      Exco團(tuán)隊(duì)通過(guò)熱應(yīng)力模擬和實(shí)際測(cè)試，對(duì)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(jìn)行了多年的研究，在這一過(guò)程中，他們逐漸找到了冷卻水路的增材制造設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(mén)還對(duì)3D打印壓鑄模具在下游的應(yīng)用進(jìn)行了研究，包括使用3D打印的壓鑄模具鑄造汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)系統(tǒng)、車(chē)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(guò)程對(duì)于金屬3D打印模具來(lái)說(shuō)是一種極為惡劣的工作環(huán)境。

      在模具冷卻水路的設(shè)計(jì)方面，Exco 團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了壓鑄模具冷卻水路設(shè)計(jì)的突破。典型鑲件冷卻通道設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)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(gè)距離都將面臨失敗。然而，熱力學(xué)和機(jī)械仿真驗(yàn)證以及3D打印技術(shù)，使得Exco團(tuán)隊(duì)采用隨形冷卻通道突破這一設(shè)計(jì)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(xiàn)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(lái)源：AM
        Exco 在3D打印隨形水路鑲件開(kāi)發(fā)中遇到了材料方面的挑戰(zhàn)。以往使用的模具標(biāo)準(zhǔn)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(huì)產(chǎn)生破裂并充滿(mǎn)氣孔，當(dāng)Exco在20毫秒內(nèi)以13,000 PSI的壓力、水線(xiàn)距離表面1毫米的條件下注入金屬時(shí)，如果發(fā)生水線(xiàn)破裂，將帶來(lái)很大的安全隱患。即使在增材制造過(guò)程中正確的進(jìn)行了設(shè)備預(yù)熱，缺陷也會(huì)持續(xù)存在。其中的原因在于，H13合金鋼中的高碳含量會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料中形成微裂紋。
 

3D打印馬氏體時(shí)效鋼專(zhuān)有熱處理工藝。

     對(duì)于材料中存在的挑戰(zhàn)，Exco團(tuán)隊(duì)找到的解決方案是用具有低碳含量的馬氏體時(shí)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(jī)構(gòu)合作，為3D打印馬氏體時(shí)效鋼創(chuàng)建了專(zhuān)有的熱處理工藝。根據(jù)Exco的驗(yàn)證，結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蜁r(shí)效工藝，馬氏體時(shí)效鋼的總體機(jī)械性能達(dá)到并超過(guò)了用于壓鑄的傳統(tǒng)工具鋼，同時(shí)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(shí)效鋼材料制造了3D打印模具鑲件，其使用壽命超過(guò)了15萬(wàn)次。

       對(duì)于打印過(guò)程中存在的彎曲和翹曲問(wèn)題，Exco 通過(guò)預(yù)應(yīng)力CAD模型抵消在打印過(guò)程中發(fā)生的彎曲和翹曲。Exco后來(lái)購(gòu)買(mǎi)了四激光器3D打印設(shè)備，其中四個(gè)400瓦光纖激光器在單獨(dú)的象限中運(yùn)行，中心重疊區(qū)域?yàn)?00毫米，在制造單個(gè)大型零件時(shí)，由于溫度更加穩(wěn)定，限制了零件整體變形情況。

      大型汽車(chē)壓鑄模具中的熱平衡非常難以控制，這樣一現(xiàn)象不僅會(huì)影響性能，而且還會(huì)影響鑄造周期，報(bào)廢率和人工成本。對(duì)于3D打印在壓鑄模具制造中的應(yīng)用價(jià)值Exco的體會(huì)是，增材制造-3D打印的壓鑄模具可以提供獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(shí)所需的循環(huán)時(shí)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(guò)傳統(tǒng)模具鑄造出的零件質(zhì)量，還節(jié)省了大量壓鑄時(shí)間，從整個(gè)壓鑄生命周期中來(lái)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)水套的制造中，希望通過(guò)3D打印技術(shù)克服傳統(tǒng)水套鑄造存在的問(wèn)題，制造更高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)水套。水套是發(fā)動(dòng)機(jī)用于轉(zhuǎn)移熱能的零件，其實(shí)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(dá)220°華氏度，因此在鑄件的金屬注入階段經(jīng)常會(huì)發(fā)生焊料積聚。拋光焊料所導(dǎo)致的機(jī)器停機(jī)，將產(chǎn)生昂貴的時(shí)間成本。除此之外，這些區(qū)域的疲勞易導(dǎo)致水套破裂，并導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸體本身的冷卻液和機(jī)油通道之間發(fā)生泄漏。

      Exco 的其中一家汽車(chē)制造商用戶(hù)正在測(cè)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(xiàn)，能夠大大降低溫度的變化，并限制焊料的形成。通過(guò)3D打印技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的水套水線(xiàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)，將顯著提升水套性能。Exco 認(rèn)為即使是以傳統(tǒng)水套5倍的成本來(lái)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(jià)值。