先進增材制造技術在模具行業的應用現狀與展望

陳 瀧 ,張紀奎 ,曹 苗 ,梅碧舟 ,齊士杰 ,謝重陽 ,鄧益民

（1.北京航空航天大學 寧波創新研究院,浙江 寧波 315800;2.西北工業大學 寧波研究院,浙江 寧波 315103;3.浙江易鍛精密機械有限公司,浙江 寧波 315700;4.寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211）

中國是模具制造大國,2022 年模具行業市場規模已達3 429.39 億元,模具年產量高達2 524.45 萬套[1].但目前我國大型、精密、復雜、長壽命的高品質模具自給率僅為30%左右,絕大部分仍然依賴進口[2].從技術角度分析,其原因是國產模具鋼的材料性能、熱處理工藝與國外相比還存在差距,而根本原因是我國現代化工業起步晚,先入場的西方發達國家已經完成傳統制造業關鍵技術的多次迭代和市場壟斷,使后來者難以追趕.而增材制造技術(Additive Manufacturing,AM)[3]作為近年來快速發展的先進近凈成形技術,能夠在實現形狀控制的同時,對組織和成分進行精細調控,將徹底改變工業革命以來形成的物體和復雜系統的制造或組裝方式,是我國高端制造業對國外發達國家實現彎道超車的絕佳機會.

早在20 世紀80 年代,美、日、法等國科技人員就開始對增材制造技術進行了探索[4],我國科學家緊隨其后,從1990 年開始對增材制造技術開展了基礎性研究[5].經過40 多年發展,目前增材制造技術已形成規范的技術體系,根據(GB/T 35351—2017)增材制造標準可分為7 類工藝: 黏結劑噴射、定向能量沉積、材料擠出、材料噴射、粉末床熔合、薄材疊層以及光聚合/立體光固化.通過增材制造方法實現復雜、高性能零件的批量化、無模快速制造是發展增材制造技術的最終目標.但由于目前我國增材制造技術還不成熟、產業鏈不完善,導致增材件的生產效率較低、成本居高不下,因此多用于少數高端制造領域中高性能、特殊結構零件的小批量制造,尚無法替代模具成形技術面向民用產品的批量化制造.故在目前階段,將先進增材制造技術與傳統模具技術相結合,以縮短模具研發周期、降低模具開發成本、提高成形件形性質量,是符合目前制造業發展背景的最佳手段.

目前,增材制造技術在模具行業的應用主要包括: (1)模具快速原型制造;(2)高性能模具零件制造.其中應用較多的增材技術為噴射粘結成形(Binder Jetting,BJ),選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering,SLS),選擇性激光熔化(Selective laser melting,SLM)和光固化成形(Stereo Lithography Appearance,SLA).

1 模具行業常用的增材制造技術

1.1 噴射粘結成形

噴射粘結成形技術于1993 年由美國麻省理工學院提出[6],其基本原理是將粘結劑以液滴的形式噴射至特定區域,使該區域的粉末粘合,通過粉末床實現層層疊加制造出所需的三維結構.打印完成后的零件經過固化、清粉和后處理,即可獲得所需構件[7],其工藝原理如圖1 所示[8].噴射粘結成形可以用于高分子材料、金屬、砂粒、陶瓷等材料零件的增材制造,成形效率高,但成形件的機械性能較弱,需要通過后續固化、燒結、浸潤以及其他表面處理工序實現性能強化.

圖1 噴射粘結成形技術原理圖[8]

1.2 選擇性激光燒結

選擇性激光燒結技術最早由Deckard[9]在1986年提出,是一種基于粉末床的增材制造技術.利用粉末狀材料(如塑料粉、蠟粉、金屬粉及其復合粉末等)在激光照射下燒結,控制激光束逐層掃描,并通過層層疊加得到所需的零件[10],其技術原理如圖2 所示[11].SLS 技術可使用材料廣泛,理論上凡經激光加熱后能在粉末顆粒間形成連接的材料都可以作為SLS 成形材料,具有自支撐性,能夠制造任意復雜的形體,因僅是燒結粉末,故成形效率較高.但是SLS 技術的原材料和設備價格都較高,導致零件制造成本居高不下.SLS 成形件的孔隙度高、機械性能弱,特別是延伸率很低,很少能夠直接應用于金屬功能零件的制造.SLS 可以用于制造零件模樣、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等.

圖2 選擇性激光燒結技術原理圖[11]

1.3 選擇性激光熔化

選擇性激光熔化技術是由德國弗勞恩霍夫激光技術研究所(Fraunhofer ILT)于1996 年研發成功[12],其成形原理與SLS相似,但專用于金屬粉末成形.通過金屬粉末在高能量密度激光束下的熔化、冷卻凝固以達到冶金結合的效果,經過逐層堆積后得到金屬零件.激光選區熔化技術可廣泛用于金屬合金,且能實現復雜異形結構的高精度、高性能、無模、快速、近凈成形,是傳統制造方法的絕佳替代技術[13].盡管激光選區熔化技術極具潛力,但由于生產成本高,目前僅在航空航天等部分高端制造領域得到批量化應用,在模具行業主要用于少量性能要求高的零件增材制造,如帶隨形水路的模具鑲塊等.

1.4 光固化成形

光固化成形技術由Hull[14]在1986 年提出,其原理是利用液態光敏樹脂在一定波長紫外激光束(250～400 nm)照射下會引起聚合反應并快速固化的特性層層疊加,以獲得三維零件[15],該工藝和設備的原理如圖3所示[16].光固化成形技術可實現高表面精度、復雜結構模型的制備.目前主要將其與熔模精密鑄造工藝相結合,采用光固化技術制備熔模精密鑄造所需的熔模和型殼(芯)等,可以極大縮短產品的制備周期.

圖3 光固化成形技術和設備原理圖[16]

2 增材制造實現模具的快速原型制造

模具是利用自身型腔將原材料成形為特定形狀尺寸制件的工具,所以制造模具的最初目的是提供一個滿足以下功能需求的型腔: (1)保證模具型腔與成形件的形狀尺寸相匹配;(2)保證模具型腔在成形過程中不會劇烈變形乃至破壞.傳統模具型腔的制造方法有直接成形和間接成形2 種(圖4),具體選擇取決于成形件的結構復雜程度和形性質量要求.

圖4 傳統模腔制造技術和增材制造工藝的結合

直接成形模腔一般是指通過減材制造方法,如機加工、特種加工等,將毛坯材料制成模具各零部件再進行裝配,形成完整的模具型腔.雖然通過該方法能獲得良好的模具形位尺寸精度和表面質量,且能通過選用不同模具材料獲得相應的強度、剛度、硬度和使用壽命,但這種制模方式存在柔性差、費用高、周期長等缺陷,無法滿足現代市場對新產品的快速迭代需求.

間接成形模腔首先需要制造零件模樣,以其外形為支撐,通過浸渡、噴涂等不同方法快速得到形狀完整,但結構脆弱的型腔殼體,然后去除零件模樣,并經后處理方法加固模具型腔.該方法雖然可以制造復雜程度很高的模具型腔,但存在生產工序多、所得模具精度低、性能弱、壽命短等缺陷.而增材制造技術可以介入上述模腔制造過程中的不同階段,以達到減少生產工序、提高生產效率的目的,這在砂型鑄造、熔模鑄造、注塑和壓鑄等模具中都得到了應用[2,17-18].

2.1 砂型鑄造模具

砂型鑄造是指在砂制模腔中生產零件的鑄造方法,可生產鋼、鐵和大多數有色合金鑄件.因價格低廉,是大型鑄件批量生產的首選方案之一.傳統砂型鑄造的工藝流程如圖5 所示,需要制備零件模樣和芯盒模具才能完成砂型和砂芯的制造,這在工藝驗證與批量生產中會造成資源的嚴重浪費.而通過增材技術直接制造砂型(芯)可以縮減生產工序、提高生產效率.

圖5 砂型鑄造工藝流程

2.1.1 噴射粘結成形砂型(芯)工藝

選擇合適的砂粒、粘結劑和固化劑,利用噴射粘結成形技術將砂粒粘結成砂型(芯),并組裝為鑄型,用于后續金屬液澆注成形.目前噴射粘結成形砂型的主要材料有各種硅砂、鋯砂等,粘結劑主要為呋喃樹脂、酚醛樹脂和無機粘結劑等[19].相比傳統砂型鑄造,噴射粘結成形技術在制備砂型(芯)過程中具有明顯的優越性[20-21],可制備形狀復雜的砂型模具(圖6).目前砂型的噴射粘結成形技術發展已較為成熟,國內有華中科技大學[22]、太原理工大學[23]、中國機械科學研究總院[24]、先進成形技術與裝備國家重點實驗室[25],國外有法國國立高等工藝學院[26]等單位的相關學者對砂型的噴射粘結成形工藝進行研究,分析了影響成形砂型(芯)外形尺寸偏差、表面質量和力學性能的主要因素及其機理,并通過工藝優化提升砂型(芯)的形性質量.

圖6 噴射粘結成形砂型[21]

2.1.2 激光選區燒結覆膜砂

以覆膜砂作為燒結材料,通過激光選區燒結法可直接成形鑄造用型(芯),與傳統砂型鑄造方法相比,簡化了流程、節省了設備成本.20 世紀90 年代,德國EOS 公司和中國華中科技大學[27]的相關研究人員對激光燒結覆膜砂的相關工藝進行了探索,發現激光功率、激光光斑尺寸、掃描速度、砂的預熱溫度、層厚等工藝參數是影響激光選區燒結覆膜砂成形性能的關鍵因素.國內的高校,如華中科技大學、南昌航空大學、中北大學等主要進行新型覆膜砂研發[28-30]和激光燒結工藝[31-32]研究,以獲得更優的燒結件形性質量.廣西大學的研究人員采用自研的高性能覆膜砂,通過選擇性激光燒結技術僅用10 多天的時間就完成了KJ100 型氣缸蓋全套覆膜砂芯的制備(圖7(a)和(b)),而傳統方法的生產周期需要5 個月,可見效率提升極為顯著[33].華中科技大學的研究人員提出運用覆膜砂3D 打印造型結合傳統鑄造工藝的方法,制造具有隨形冷卻水道的熱沖壓模具(圖7(c)),能夠顯著提高冷卻性能[34].新加坡國立大學的研究人員研究了激光燒結工藝參數對燒結件精度、強度和表面光潔度的影響,揭示了粉末狀砂在激光燒結過程中的固化機理,并獲得了最佳的燒結工藝參數[35].

圖7 激光選區燒結覆膜砂方法制備零件[33-34]

2.2 熔模鑄造模具

熔模精密鑄造工藝源于傳統的失蠟法,其關鍵在于制備出匹配成形件外形尺寸的陶瓷型芯、型殼,而傳統的陶瓷型(芯)制造工序繁瑣[36],如圖8所示.熔模精密鑄造在零件復雜性和材料適應性方面具有較大的優勢,但其柔性較差、生產周期長、工藝環節多,鑄件結構和尺寸的改變往往直接影響鑄型(包括鑄模和型芯)的設計、制造、裝配等過程,從而產生巨大的時間和經濟成本.特別是應用于高熔點金屬(如鈦金屬、鎳基高溫合金等)零件(如高溫渦輪葉片、大型整體機匣等)精密鑄造的陶瓷鑄型,通過“傳統制造簡單鑄型+機加工精細結構”的方法存在難度大、周期長、成本高的缺陷,難以滿足現代航空工業的需求[37-38].故引入增材制造技術制造模樣或鑄型,可極大提高熔模精密鑄造的柔性,加速鑄件的生產研制過程,滿足新產品試制和小批量生產任務的快速響應需求.

圖8 熔模鑄造工藝流程

2.2.1 模樣的增材制造

將易熔材料通過增材制造技術直接成形為零件模樣,可替代原有較為繁瑣的模樣制備工序,在一定程度上縮短鑄型的制備周期.目前主要方法有激光選區燒結成形和光固化成形方法.

(1)激光選區燒結成形模樣.早在20 世紀90 年代,美國DTM 等公司,國內北京隆源公司、華中理工大學、南京航空航天大學等已將SLS 技術應用于熔模精密鑄造[39-40].聚碳酸脂(Polycarbonate,PC)具有良好的激光燒結性能,且燒結后具有較高強度,是最早用于SLS 制備模樣的材料.但PC 熔點高、流動性不佳,國內外相關研究者對聚碳酸脂的替代材料,如聚苯乙烯(Polystyrene,PS)[41]與高抗沖聚苯乙烯(High Impact Polystyrene,HIPS)[42-43]進行研究,發現可以制備出具有良好尺寸精度和力學性能的燒結件(圖9).此外,通過環氧樹脂浸漬[43-44]或蠟滲[45-46](圖10)后處理,可以進一步提高激光燒結零件的機械性能.

圖10 采用高抗沖聚苯乙烯SLS 制備熔模并蠟滲強化鑄件[45]

(2)光固化成形模樣.以光敏樹脂為主要材料,在特定光源照射下固化成為零件模樣,用于后續型殼制備.但采用光敏樹脂所制造的零件模樣因其熱膨脹系數較大,外裹型殼在焙燒過程中易出現脹裂現象,這是在熔模精密鑄造領域應用光固化成形技術需解決的關鍵技術問題[47].宗學文等[48-49]對光固化樹脂熔模與型殼材料在高溫燒結過程中的熱變形機理和型殼開裂條件進行了研究,并采用光固化成形工藝制得葉輪鑄件的熔模,相比傳統鑄造技術可以降低2/3 的技術成本和4/5 的時間成本.姜耀林等[50]以閉式離心泵葉輪為研究對象,通過光固化技術制造葉輪及其澆注系統整體樹脂熔模,并進行熔模精密鑄造,成功制得閉式離心泵葉輪金屬鑄件.除了通過增材制造技術直接成形模樣外,以增材制造方法制備內帶冷卻流道的蠟模也是提高蠟模成形質量和效率的一種方法[51].

無論采用何種增材工藝制備零件模樣,其目的都是為了獲得優質的陶瓷鑄型.故提高模樣的外形尺寸精度和表面光潔度,以及約束模樣在鑄型制造過程中外形尺寸變化是關鍵,也是零件模樣增材制造技術未來發展所要關注的重點.

2.2.2 陶瓷型(芯)的增材制造方法

陶瓷型(芯)是熔模鑄造工藝中的關鍵部件,其外形尺寸精度和型腔面粗糙度將直接決定鑄件的外形質量.利用增材制造技術對陶瓷型(芯)進行高質量制造,可以解決傳統加工成形手段難以成形復雜精細陶瓷結構的難題[37].陶瓷增材制造技術在國外的初步應用約出現在1990 年,而國內主要受制于專業陶瓷打印設備以及打印材料的成本,起步較晚.目前陶瓷型(芯)的主要增材工藝有光固化成形、噴射粘結成形和激光選區燒結成形,所用材料以氧化硅、氧化鋁及其復合材料為主.

(1)光固化直接成形陶瓷型(芯).使用激光固化光敏陶瓷漿料(光敏樹脂+陶瓷粉體+添加劑)成形陶瓷坯體,經脫脂、燒結后獲得陶瓷型(芯),能極大縮短制備周期.1996 年,由Griffith 等[52]率先通過光固化技術直接成形致密陶瓷坯體.光敏陶瓷漿料的成分是影響成形陶瓷型(芯)質量的關鍵因素,華中科技大學[53]、西北工業大學[54]、中國運載火箭技術研究院空間物理重點實驗室[55]的相關研究人員均對其進行了研究.陶瓷型(芯)的漿料應具備高固相含量、良好的流動性、低黏度以保證光固化3D 打印過程中漿料良好的鋪展性和型芯素坯固化后有足夠的強度[56].陶瓷坯體成形后的脫脂過程主要用于去除固化的光敏樹脂等粘結劑,而燒結過程促進陶瓷顆粒的長大,脫脂→燒結工藝過程的良好設計能制備性能優異的陶瓷型芯,已有相關學者[57-58]對其進行了研究.光固化技術具有高分辨率和高效率優勢,打印的陶瓷型(芯)有很高的表面光潔度,但受限于光源,可打印的陶瓷材料有限.

(2)光固化間接成形陶瓷型(芯).首先采用光固化技術制備樹脂模,再將陶瓷漿料注入樹脂模中經固化、燒結后得到可用于澆注的陶瓷型(芯).該過程中,陶瓷漿料在固化和燒結過程中的體積變化是影響最終陶瓷型(芯)尺寸精度的關鍵因素.西安交通大學李滌塵團隊通過添加氧化鎂粉末和研發新的燒結工藝控制了陶瓷芯的燒結收縮[59];同時對光固化成形模樣融化過程進行熱力學分析,揭示了渦輪葉片陶瓷殼體破裂的原因,并提出了加入聚酰亞胺提高強度以防止殼體開裂的方法[60].基于上述研究和光固化間接成形原理,該團隊發明了一體化陶瓷鑄型的型芯型殼定制方法(圖11),以此制備空心渦輪葉片[61].此外,李滌塵團隊還研究了熔模鑄造光固化和非水基凝膠注模成形技術,分析了叔丁醇基氧化鈣漿料的流變性能及凝膠參數對凝膠時間和凝膠強度的影響,制備了一種高性能CaO 基整體陶瓷模具[62].

圖11 SLA 制備樹脂模具注射-燒結陶瓷型芯[60]

(3)噴射粘結成形陶瓷型(芯).麻省理工學院的Sachs 等[63]早在1990 年就采用噴射粘結成形技術制備出氧化鋁陶瓷型殼(芯).在粘結劑噴射過程中液態粘結劑噴出后會發生滲透現象,產生的誤差會影響打印精度.而粘結劑的組成成分對陶瓷型芯的尺寸精度、表面粗糙度、抗彎強度等形性質量影響顯著,通過噴射無機粘結劑[64-65]可以使陶瓷型(芯)在燒結后產生較高強度與較低收縮.故通過優化打印工藝減小滲透誤差[66]、改善粘結劑體系與顆粒級配,并對陶瓷粉末進行改性,可以有效提高型芯的綜合性能.

(4)激光選區燒結成形陶瓷型(芯).由于陶瓷材料的成形溫度較高,目前激光選區燒結設備無法在短時間內實現陶瓷粉體顆粒的熔融粘接,故采取間接成形陶瓷型(芯)方法.通過激光選區燒結熔化陶瓷粉末表面的粘結劑,促使陶瓷粉末顆粒間粘結形成坯體,進行后續脫脂、燒結后制得所需陶瓷型殼(芯).故激光選區燒結的陶瓷粉末一般需要表面包覆熱塑性、熱固性粘結劑,或者要求粉末顆粒加熱后具有能相互粘結的性能[67].華中科技大學的Zhang 等[68]通過研究發現,合理的顆粒級配(粗粉混合適量細粉)能有效提高選擇性激光燒結二氧化硅陶瓷的力學性能,抗彎強度可達7.15 MPa;此外粘結劑的種類、引入方式以及加入量對于成形精度和強度有著重要影響.韓國的Kim 等[69]分別采用粘結劑噴射成形和選擇性激光燒結技術配合不同的粉末材料進行葉輪葉片用陶瓷芯的增材制造,采用莫來石粉體+酚醛樹脂+選擇性激光燒結方法制成的陶瓷芯強度更高、熱膨脹系數更小,更適用于精密鑄造.總之,通過選擇性激光燒結方法制備的陶瓷型芯致密度較低、力學性能較弱,但是可以通過浸漬強化處理以提升性能.此外,通過減小晶粒尺寸和改變陶瓷材料的成分和結構,進一步改善激光功率和掃描間距,有助于提高陶瓷材料的強韌性能.

綜上可知,制備陶瓷型(芯)的不同增材制造技術各有特點,增材制造的型芯性能還弱于傳統鑄造方法,如硬度、耐磨性等.因此,如何提升型芯的綜合性能,是增材制造中重要的研究方向之一.目前解決方案主要包括以下5 種: (1)優化制造參數[70],調整噴嘴直徑、噴嘴溫度、層厚等,可以改變制造過程中的熔體流動速度和溫度梯度等因素,從而影響型芯的性能.(2)優化材料特性[71],添加碳納米管、陶瓷等納米顆粒,可以增強材料的強度、硬度、磨損性能等.(3)改進后處理工藝[72],采用熱處理、表面處理等方法,可以改變材料的晶體結構、表面形貌等因素,提高其機械性能、耐磨性等.(4)協同設計[73],優化型芯的形狀和結構等設計參數,以提高其綜合性能,如采用多梯度結構、異種材料復合等設計方案,可以針對具體應用場景進行優化.(5)智能制造[74],可以實現對生產過程的自動化、數字化控制,提高型芯的一致性和穩定性,從而進一步提高其綜合性能.

3 高性能模具零件的增材制造

增材制造技術在高性能模具零件制造方面具有諸多應用[75].首先,增材制造技術可以實現高度定制化的設計.傳統的模具制造通常需要進行復雜的加工和組裝過程,而增材制造技術可以直接將設計文件轉化為實體,實現快速、精確的制造過程,這使得設計師能夠更靈活地調整模具的形狀、結構和功能,以滿足不同行業和產品的需求.其次,增材制造技術可以制造復雜形狀的模具零件.傳統的制造方法可能無法實現復雜形狀的模具零件制造,而增材制造技術可以通過逐層堆積材料的方式制造出具有復雜幾何結構的零件,這為模具設計帶來了更大的自由度,可以實現更高效的功能整合和優化設計.第三,增材制造技術可以提高模具零件的性能和耐用性.通過增材制造,可以選擇適合特定應用的高性能材料,如金屬合金、陶瓷等,以提高模具零件的強度、硬度和耐磨性.此外,增材制造還可以實現材料的局部調控,例如調整材料的組織結構和晶粒大小,從而進一步提高模具零件的性能.第四,增材制造技術可以減少制造周期和成本.傳統的模具制造通常需要進行多個加工步驟和組裝過程,而增材制造技術可以將這些步驟簡化為一個連續的制造過程,這不僅減少了制造周期,還降低了人工和設備成本.此外,增材制造還可以減少材料的浪費,提高資源利用率.最后,增材制造技術可以促進模具制造的可持續發展.由于增材制造可以實現精確的材料控制和定制化設計,因此可以減少能源消耗和環境污染.此外,增材制造還可以實現模具零件的修復和再制造,延長其使用壽命,減少廢棄物的產生.

增材制造技術可以制造具有結構功能一體化、輕質且超高強韌、耐極端工況或超強散熱能力的新型結構,為高性能零件的制造提供新的解決方案.但是目前高性能零件增材制造的成本居高不下,對于模具等體積較大的產品進行整體高性能增材制造將產生巨大的經濟成本.因此,以傳統制造方法為主制造模具主體、以高性能增材制造技術為輔制造局部特殊的功能鑲塊,能用較低成本實現模具性能的顯著提升,是目前模具行業采用的主流方法.

3.1 帶隨形流道冷卻鑲塊的增材制造

在注塑和壓鑄過程中,模具溫度對成形件的質量和生產效率有重要的影響.模具型腔的冷卻均勻性直接影響成形件的熱殘余應力,而熱殘余應力是產品變形的重要原因.模具型腔的冷卻強度直接影響成形件的冷卻時間,進而影響整個產品的生產周期和生產效率.因此,提升模具型腔的冷卻性能,包括冷卻強度和均勻性,是提升注塑件和壓鑄件產品質量、提高產品生產率的關鍵.

模具型腔的冷卻性能主要取決于模具材料熱導率和模具內部冷卻流道方案設計.美國麻省理工學院的Sachs 教授早在1997 年就提出了模具隨形冷卻技術的概念,認為與部件輪廓一致的冷卻流道是控制注塑模具溫度的最佳解決方案(http://www.simmtime.com/news_en.htm?dId=1114).然而,受當時制造工藝的限制,隨形冷卻帶來的模具制造復雜度和難度,使大部分模具制造商都對其望而卻步.注塑和壓鑄模具中較為主流的冷卻流道方案是由直通式管道互聯形成的管道網(用于整體冷卻)輔以冷卻銷(用于點冷卻)構成(圖12).該冷卻流道設計方法可以解決絕大部分壓鑄和注塑零件的冷卻問題,但該方法的冷卻效果較為粗糙,且對設計人員的經驗要求較高,經常會由于局部冷卻不足而產生過熱點,導致模具返修,難以滿足現代模具工業生產的高質量和高效率要求.

圖12 目前壓鑄和注塑行業主要采用的冷卻流道方案

對于如圖13(a)所示的異型零件[76],難以采用“橫平豎直”的冷卻流道獲得滿意的冷卻效果,而采用增材制造方法,實現模具型面+內部隨形流道的一體成形是獲得模具良好冷卻性能的有效手段.

圖13 壓鑄模具冷卻管道的增材制造應用[76]

3.1.1 帶隨形流道冷卻鑲塊的增材制造設計

增材制造工藝在成形復雜結構方面的獨特優勢為模具內部冷卻流道的設計提供了極大的設計自由度,使得冷卻模具的設計與制造擺脫了交叉鉆孔的限制,可以實現內部流道更靠近模具冷卻表面的隨形冷卻流道設計.同時,流道可以具有平滑過渡轉角,能減小冷卻介質的流動阻力、增加對流換熱效率.設計人員還可以根據冷卻性能要求設計不同的冷卻流道方案,以促進冷卻的均勻性.強大的設計自由度帶來無限可能的設計方案,但為提高冷卻流道設計效率和質量,需要建立系統性的隨形冷卻流道增材制造設計方法.

基于傳統設計范式的隨形冷卻流道設計流程包括: (1)綜合考慮模腔形狀、熱源位置、冷卻性能要求和管道流阻等因素,確定冷卻流道的布局并進行參數預設計.(2)建立數值模型,并通過模流分析軟件來驗證預設計方案的冷卻效果.(3)根據仿真所得溫度場數據分析冷卻流道的設計缺陷,并對其進行優化.(4)反復迭代獲得滿意的模具冷卻效果.雖然通過該方法必能獲得合適的模具隨形流道設計方案,但是會產生較高的時間成本,因此需要研發更為自動化和智能化的冷卻流道設計方法.文獻[77]提出了一種隨形冷卻流道的創成式設計方法(圖14),在確定流道出入口、頂針孔和鑲件孔等避讓位置基礎上,通過制定合理路徑延伸規則和尺寸約束范圍實現冷卻流道的自適應設計.經過流道結構參數調整和仿真評價,獲得最優冷卻流道設計方案.

圖14 隨形冷卻流道的創成式設計方法[77]

3.1.2 帶隨形流道冷卻鑲塊的增材制造方法

在現有增材制造工藝中,選擇性激光熔化、電子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)和激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)都可用來制造高性能模具零件.但是SLM 技術具有能量密度高、光斑尺寸小、成形精度高、冷卻速度快的特點,所得增材件有良好的表面粗糙度和尺寸精度,是目前用于帶隨形流道冷卻鑲塊零件增材制造的主要方法[18].采用SLM 技術制造零件有直接打印和嫁接打印2 種方法: 直接打印通過增材方法制造整個冷卻鑲塊零件,而嫁接打印指在機加工零件上增材制造出無法通過機加工制造的部分(圖15).Marin 等[78]提出一種機械加工和金屬粉末增材制造結合的混合制造工藝,用于隨形冷卻通道的鑲塊制造,結果表明,具有隨形冷卻通道的模具使注塑塑料零件的翹曲縮減為原有產品的1/7,沿著鑲塊的溫度差縮減為原有模具的1/10,成形周期相比傳統模具縮短約36%.吳成龍[79]采用光固化3D 打印工藝,制備用于鑄造模中的隨形流道冷卻鑲塊.實驗結果表明,利用光固化3D 打印工藝所制備的隨形流道冷卻鑲塊具有更高的冷卻效果和更好的制造精度,適用于更為復雜的零件制造.目前的金屬3D 打印相比成熟的傳統制造工藝,其效率偏低、成本偏高.在制造一些尺寸較大的模具工件時,用傳統機加工制造基座部分并在基座上面進行嫁接打印,可顯著降低打印成本,縮短打印時間,而其難點在于對基座材料有要求,以及在機加工至增材制造過程中的零件定位.

圖15 模具零件嫁接打印方法

3.1.3 帶隨形流道冷卻鑲塊的增材制造應用研究

在注塑模中某些細小型芯內部難以通過傳統加工方式制造冷卻水路,故在注射過程中依靠自然冷卻,熱慣性不僅會導致注射周期加長,還易在注塑件表面產生縮痕和變形缺陷.而采用增材制造技術可在細長型芯內部構造螺旋式冷卻水路[80],增大熱交換面積和冷卻介質紊流度,實現細長型芯充分且均勻冷卻.德國的SLM Solutions、EOS[81]、Concept Laser、Technische Universitat Dortmund,英國的Renishaw、University of Central Lancashire 和美國的3D Systems、Honeywell 等都已開始采用增材制造技術制造隨形冷卻流道模具,經濟效益顯著.針對某款鋁合金壓鑄模具的澆口分流器(圖16),基于德國通快TruPrint 3000,通過SLM 方法制造,使其獲得隨形冷卻流道,可明顯提升澆口分流器的冷卻性能,使壓鑄模具開模時間減少30%[82].

圖16 某澆口分流器內部冷卻水道的優化設計[82]

針對ABB OY 公司生產的電纜套管注塑模具鑲件,芬蘭國家技術研究中心使用SLM?125 設備制造內帶隨形冷卻流道的模具鑲件(圖17).相比實心模具鑲塊需30 s 冷卻時間,后者只需6 s 即可完成制件冷卻,且生產周期從60.5 s減至14.7 s[83].在2021 亞洲3D 打印、增材制造展覽會(TCT)上,知名模具服務商(Laser Bearbeitungs Center,LBC;展位號G14)展示了利用EOS 直接激光燒結技術優化的模具鑲件,其內部隨形冷卻流道使模具鑲件的冷卻周期縮短了55%,使用增材技術后,該公司的生產成本每年可節省近2 萬歐元[84].

圖17 內帶隨形冷卻流道的電纜套管注塑模具鑲件[83]

近年來,國內眾多高校、科研院所及企業也開始將增材技術應用于高性能模具零件的設計制造,如華中科技大學(圖18)[85]、華南理工大學[86]、大連理工大學、西安鉑力特增材技術股份有限公司[87]、武漢華科三維科技有限公司、上海悅瑞三維科技股份有限公司、深圳光韻達光電科技股份有限公司和東江模具(深圳)有限公司[88]等.

圖18 華中科技大學增材制造的模具鑲塊[85]

西安鉑力特增材技術股份有限公司在實現復雜流道結構及設計優化方面進行了長期探索(圖19),能夠根據客戶的具體需求量身定制模具內部的復雜流道結構,解決其生產難題[87].

圖19 鉑力特增材技術股份有限公司制造的模具鑲塊[87]

東江模具(深圳)有限公司通過增減材集成工藝實現帶冷卻流道模仁的高效制作[88],即在通過機加工方法制得底座基礎上,采用嫁接增材制造在底座上增材制造出帶有隨形冷卻流道的部分(圖20),如此所得模具能顯著縮短生產周期(22%)、提高月產量(28%).該公司表示,上述復合工藝能用于大部分需要隨形冷卻流道的模具制造,而且制造的模具具有很好的質量.

圖20 東江模具(深圳)有限公司增減材集成的模具零件[88]

北京航空航天大學寧波創新研究院增材制造中心與寧波本地壓鑄企業合作,針對其細長型冷卻形塊無法采用常規減材方法制造內部冷卻流道的情況,采用流道優化設計+激光粉末床選區熔化方法制造了帶隨形冷卻流道的冷卻鑲塊(圖21),并成功投入實際生產,且服役情況良好.

圖21 北京航空航天大學寧波創新研究院增材制造中心制造的模具冷卻鑲塊

3.2 其他高性能模具零件的增材制造

除了制造帶隨形水路的冷卻鑲塊以顯著提高其散熱性能外,增材制造的高性能模具零件還有其他一些應用.

其一是高性能輪胎模具.因輪胎的性能取決于輪胎模具中的花紋設計,且花紋的結構往往呈現出空間三維扭曲、具有弧度和角度多的特點,這就導致難以用傳統加工手段精準完成配套模具表面紋路的制造.而模具的加工精密程度會直接影響輪胎的精度和質量,甚至是輪胎安全、駕駛舒適度等.故通過選區激光熔化增材制造實現輪胎花紋設計的復雜性,是一種有效的方法.目前在輪胎模具制造領域,3D 打印技術有2 個層面的應用: (1)復雜輪胎模具,尤其是高性能要求的冬季胎或雪地胎模具中的鋼片制造,這一技術已在國內外輪胎模具制造知名企業中投入使用.(2)復雜花紋模具的一體化制造,雖然該應用目前仍存在易變形、成本高等應用難點,但在工序簡化和提升輪胎性能方面極具優勢.圖22 為加工方案公司(Georg Fischer Ltd)采用增材制造方法為米其林公司提供的輪胎模具鋼片[89]和復雜花紋模具[90].

圖22 GF 加工方案公司在輪胎模具的應用[89-90]

4 結論與展望

4.1 結論

相比基于減材制造理念的傳統切削制造技術,增材制造技術的核心優勢在于: 制造理念的創新帶來設計、制造方面的高度靈活性和自由度,特別適合某些具有復雜形狀特征或特殊性能要求產品的生產制造.雖然增材制造技術已出現40 多年,但目前仍處于高速發展階段.圍繞高性能、高效率、低成本的目標,增材制造技術不斷推陳出新,還遠未達到瓶頸狀態.在這種技術劇烈迭代的情況下,增材制造技術難以在產業界構筑穩定的產業鏈,導致增材制造技術的成本居高不下.目前,增材制造技術主要應用于航空航天、武器裝備等關乎國家安全的領域,而在民用市場由于其性價比不高使其應用受限,增材制造所用設備和原材料的價格是影響增材制造技術工業化普及程度的關鍵因素.在模具行業,目前增材制造技術的應用主要集中在模具快速原型制造和高性能模具零件制造兩個方面.

在模具快速原型制造方面的主要應用: 通過噴射粘結成形、激光選區燒結和光固化成形技術快速、精準制造砂型鑄造和熔模鑄造工藝中的模具型腔,以縮短模具開發周期.通過模具進行零件生產,模具的制造成本不可忽視.對于砂型鑄造和熔模鑄造工藝,其優勢在于模具制造成本低、可以低成本實現形狀復雜零件的批量化生產;缺點在于模具制備工序多、時間長.而對于噴射粘結成形、激光選區燒結和光固化成形技術而言,相關設備的國產化以及原材料(砂粒、陶瓷粉末、粘結劑)來源廣泛,使得采用上述增材制造技術制備砂型或陶瓷模具能夠以較低的投入成本、較高的生產效率為民營資本所接受.基于增材制造技術實現模具快速原型制造,關鍵需要解決如何快速制造具有高型面質量的模具型腔、如何使模腔的型面質量在生產過程中保持穩定兩個問題.故需要針對不同的模腔服役工況去優化原材料成分和增材工藝參數,以獲得尺寸精度更高、表面光潔度更好、服役性能更穩定的模具型腔,而這也是目前國內外相關單位重點關注和爭相研發的內容.

在高性能模具零件制造方面的主要應用: 通過選擇性激光熔化技術制造內含隨形水路的高性能冷卻鑲塊,是增材制造技術在壓鑄和注塑模具中的主要應用.因為SLM 技術是利用金屬粉末在高能束激光照射下迅速熔化粘合,并在激光束離開后迅速冷卻固化以獲得高性能零件,故對粉末質量和設備性能都有較高的要求.SLM 設備的高昂價格、粉末生產體系的不完善、專業人員的稀少等原因導致采用SLM 技術制造零件的成本居高不下.因此,將SLM 技術用于少部分關鍵模具零部件的制造,如冷卻鑲塊、輪胎模具鋼片等,以有限的投入獲得顯著的模具性能提升是目前高端模具制造企業普遍采用的方法.采用SLM 技術制造模具零件的目標之一是獲得優于傳統制造方法的性能,如散熱好、透氣好、壽命長等,而這些性能由粉末組分、SLM 工藝和零件結構等綜合決定,故進行材料-結構-性能一體化增材設計制造研究是實現高性能零件增材制造的根本與關鍵.

4.2 展望

未來的增材制造技術在制造模具方面具有廣闊的應用前景.首先,增材制造技術可以實現高度定制化的模具設計,滿足不同行業和產品的需求.其次,增材制造技術可以快速制造復雜形狀的模具,縮短生產周期、減少生產成本.再次,增材制造技術還可以實現模具的功能整合,將多個部件合并為單一的模具,提高生產效率.

然而,增材制造技術在制造模具方面仍面臨一些困難.首先,制造大型模具受到增材制造設備尺寸的限制,目前的增材制造設備尺寸有限,無法滿足大型模具的需求.其次,在增材制造過程中可能出現材料性能不均勻、殘余應力等問題,影響模具的質量和使用壽命.此外,增材制造技術的制造速度相對較慢,無法滿足大規模生產的需求.

為了克服這些難題,未來需要解決以下幾個問題: (1)需要開發更大尺寸的增材制造設備,以滿足大型模具制造的需求.(2)需要進一步研究材料的性能和特性,以提高模具的質量和耐用性.(3)需要改進增材制造的速度和效率,以適應大規模生產的需求.(4)需要加強增材制造技術的標準化和規范化,以確保模具的制造質量和穩定性.