金属3D打印亮剑模具制造



 Ø 金属3D打印技术

3D打印是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除-切削加工技术,是一种“自下而上”的制造方法,也叫增材制造、快速成形、快速制造。金属3D打印所用的材料是金属粉末或金属丝,制造的成品是金属件,采用的设备为金属3D打印机,表1罗列了几种常见的金属3D打印技术信息。

表1 金属3D打印技术相关信息

Ø 金属3D打印在模具行业的机遇

模具被誉为“万业之母”,在电子、汽车、家电、通讯等领域有广泛的应用。传统模具的制造为减材制造,生产经历的工序繁多,生产周期长,工序包括模具钢冶炼、铸造/锻造、退火、粗加工、淬火、精加工等,任何一道工序都直接影响模具成品的质量。模具设计之初,设计者首先要考虑市场内供应的钢种及尺寸规格,其次要考虑加工工艺方法、装配方法,在此基础上才能进行模具的设计,这就限制了模具设计开发的自由度。传统的减材制造方式生产的模具总成本一般为钢材毛坯成本的3~4倍,且钢材利用率不足50%,资源浪费严重。

金属3D打印技术的出现及革新,逐步弥补了以上传统减材制造方式生产模具的不足,在提高材料利用率的同时,减少了生产工序,缩短了生产周期。然而,最重要的还是它颠覆性的理念革新:释放设计的自由,让设计不再受到加工方法及工艺的局限。3D打印技术打破了传统模具的设计理念,使模具设计结构简化、工序优化、零部件数量减少、减重。

因此,3D打印技术在模具行业的市场前景广阔。2020年,美国的3D打印技术在模具行业的市场规模预估为37亿美元,我国的这项数值预估为30亿人民币。在模具的产业结构组成中,占比最大的是塑料模具,已占据国内模具总产值的43%,成为最主要的一种模具产品。塑料与金属相比较,更易于发生塑性变形,更易于填充模具,更易于成型,且对模具的磨损相对较小。因此,塑料制品的模具的设计较金属制品的模具更为复杂,所包含的零部件更多,利用3D打印技术优化设计、整合模具零部件的空间大,且塑料模具对模具钢性能的要求没有金属模具那么苛刻。因而,先进的3D打印技术在模具行业的应用,也是由塑料模具的3D打印开始。

Ø 塑料金属模具的3D打印

塑料模具的特点是结构复杂、模具成套、一套模具所包含的零部件更多。尤其是在提高生产效率而优化的塑料模具结构中,具有随形冷却功能的设计被广泛应用。用传统减材制造技术来制造模具的随形冷却通道,引导冷却材料的通道通常是直的,从而在模制部件中产生较慢的和不均匀的冷却效果。而用3D打印技术来制造模具的随形冷却通道,可获得传统方法无法比拟的设计结构及冷却效果。采用3D打印技术制造具有随形冷却的模具,如图1所示,设计过程不受产品内部结构及复杂形状的约束,可以实现复杂形状的冷却通道设计制造,更贴近产品轮廓,且针对产品的死角或不易排热的区域可设计随形冷却通道,从而提供良好的散热效率,以确保实现随形的冷却,更加优化且均匀,最终带来更高质量的零件和较低的废品率。

图1 具有随形冷却的塑料模具设计模型(来源于http://www.3dmold.com.cn/)

塑料模具结构复杂、零部件种类多,采用3D打印技术制造塑料模具,在一些小批量或过于复杂的结构生产上具有经济优势。特别是模具成套、零部件种类多造成模具后期的维护、更换更为繁琐,体现在局部零件损坏,则整套模具无法使用,如有备件则拆装更换,拆装过程难易程度及备件的可用性取决于整套模具的磨损程度,如无备件则全套模具作废。金属3D打印的模具针对这些特殊配件的需求更具优势。尤其是当配件使用的材料非常昂贵,传统的减材制造不宜生产或易导致材料报废率很高的情况下3D打印具有成本优势。

Ø 3D塑料模具钢材介绍

然而,3D打印技术在模具乃至其它行业的规模化应用,还需突破以下瓶颈:降低打印成本、增大打印产品的尺寸、增加打印产品的种类及稳定性。目前,可用3D打印的塑料模具的钢材种类主要包含以下几种:

1. 18Ni300(欧洲牌号1.2709):

该体系的化学成分如表2所示,低碳马氏体时效硬化型塑料模具钢,钢中起时效硬化作用的合金元素是钛、铝、钴、钼。碳的质量分数较低(约0.03%),目的是改善钢的韧性。杂质含量对马氏体时效硬化钢的性能影响很大,这就要求该类钢要经过真空熔炼,减少杂质、偏析和钢锭中的含气量,以保证钢有较好的韧性和抗疲劳性能。

表2 18Ni300体系的化学成分 

1. S136:

S136的化学成分如表3所示,是一种具有优良耐蚀性的塑胶模具钢,【我感觉这个地方说的绝对了,适用于所有的塑料模具?还有硬到金属冲压的模具呢,这个体系行吗?】,由于其卓越的特性,更加适合特殊环境的应用和需求,而且更有下列优点:具有良好的综合机械性能,高的抛光性能,耐腐蚀、耐应变、耐磨,模具生产成本低、使用维护费用低。

表3 S136体系的化学成分 

1. M2:

钼系高速钢,具有碳化物不均匀性小和韧性较高的优点。易于过热,故应严格控制淬火加热温度,对热处理保护要求较严。M2高速钢具有碳化物倾向性较大,故对热处理保护要求较严,适合承受震动和冲击荷载的模具。主要应用于冷锻模、精冲模、粉末压制模等,剪切机模,添加玻纤之塑料模等。

表4 M2体系的化学成分 

1. H13(4Cr5MoSiV1):

引进美国的H13空淬硬化热作模具钢,热作模具钢中用途最广泛、产量最高的一种代表性钢种。用于塑料模具领域,主要应用方向为注射成形或挤压成形模具。

表5 H13体系的化学成分 

深圳微纳增材技术有限公司联合上海大学、哈尔滨工业大学等业内领先的金属材料研发团队,开展球形粉生产技术研发及生产,专注提供钛合金粉末、镍合金粉末、不锈钢粉末、铝合金粉末、模具钢粉末等各类工业级金属3D打印粉末耗材。公司产品在全球范围内实现了广泛的销售,获得了客户的高度认可。

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