增材制造助力模具創新
- 分類：公司新聞
- 作者：天津鐳明激光科技有限公司 總經理 葉洎沅
- 來源：
- 發布時間：2020-06-24 13:07
- 訪問量：
【概要描述】增材制造技術開始引起模具行業的關注是在大約2005年左右，當時一些國外企業開始采用所謂“快速原型”技術來制造樣件，甚至有媒體聲稱這種技術一旦普及，產品制造將不再依賴模具。這種信息給模具行業帶來了較大的沖擊。
增材制造助力模具創新
【概要描述】增材制造技術開始引起模具行業的關注是在大約2005年左右，當時一些國外企業開始采用所謂“快速原型”技術來制造樣件，甚至有媒體聲稱這種技術一旦普及，產品制造將不再依賴模具。這種信息給模具行業帶來了較大的沖擊。
- 分類：公司新聞
- 作者：天津鐳明激光科技有限公司 總經理 葉洎沅
- 來源：
- 發布時間：2020-06-24 13:07
- 訪問量：
增材制造技術開始引起模具行業的關注是在大約2005年左右，當時一些國外企業開始采用所謂“快速原型”技術來制造樣件，甚至有媒體聲稱這種技術一旦普及，產品制造將不再依賴模具。這種信息給模具行業帶來了較大的沖擊。但很快，隨著認識加深，模具企業開始意識到增材制造并不會“摧毀”這個行業，而是可以為之所用的制造工藝技術。
到了2012年左右，在國內陸續有手辦企業開始轉型采用樹脂或者尼龍材料的3D打印以替代傳統的開模試制方式，采用3D打印來制造鑄造砂模或者蠟模的工藝也開始普及。從2015年至今，隨著金屬材料3D打印的成熟度得到肯定，在注塑或者壓鑄領域開始有越來越多的企業嘗試采用選區激光熔化技術來制造模具中的各類鑲件，尤其是冷卻鑲件。今天看來，采用增材制造來制造模具的優勢主要包括：
快速加工
應對產品設計階段的頻繁變更
近年來制造業總體的產能過剩和競爭加劇，采用多品種小批量的產品策略成為研發型企業的共識，采用迭代的敏捷開發模式開始普及，這種模式意味著大量的設計變更以及對變更的快速響應需求。增材制造工藝——雖然種類眾多——采用材料逐層堆積的方式進行成型，其加工的自由度在應對這種市場需求時顯得游刃有余。
增材制造帶來模具功能提升
并降低制造總成本
在采用注塑或壓鑄這類工藝時，必須考慮溫度控制、排氣等功能需求，以提高加工良率，為此在模具設計中必須增加用于冷卻或排氣的各類功能鑲件。過去受到傳統加工工藝的限制，這類鑲件的設計受到了很大的制約，作用受到了較大的局限。利用增材制造，這類鑲件的設計可以突破許多束縛，如注塑模具冷卻水路（圖1），采用增材制造加工，其溫控功能得到充分釋放，使這種深腔且多筋產品的注塑合格率大幅度提升。
此外，在成本方面增材制造也帶來了競爭優勢。采用這類增材制造的功能鑲件時，雖然模具制造成本有所增加，但由于產品良率的提升，以及對產能投資的節約，制造總成本總制造成本得以下降。例如以某空調部件為例，假設其注塑周期90 s，為滿足市場需求原先需要部署100臺注塑機和配套的模具。而在采用了增材制造功能鑲件后，其注塑周期假設縮短30%，其理論產能需求則降為70臺注塑機和配套模具，加上場地和人力的節約，總制造成本的下降將是非常可觀的。
圖1 意大利FADO公司采用增材制造加工的冷卻鑲件
增材制造技術實現模具修復
從而降低重新開模的成本
部分高端模具經過數百萬模次的使用，表面磨損嚴重。而由于供應鏈變化或者其他原因導致重新開模的成本極高甚至不可行。利用增材制造技術，可以充分發揮其在材料混合上的優勢，通過將磨損表面剝離后將改性材料添加在模具母體上，可以大幅度提升經修復的 模具的耐用性。
天津鐳明激光科技有限公司（以下簡稱：“鐳明激光”）專門為模具行業開發了兩款增材制造設備，一款是基于選區激光熔化技術的LiM-X260M模具行業定制機(圖2），其專門用于模具行業常用的模具鋼或不銹鋼材料。配合專門的打印工藝和后處理工藝，實現材料致密度和硬度的提升，可以滿足高端模具對表面質量和耐用性的要求。我們還在與材料廠商共同開發高導熱的材料和工藝，以幫助模具企業擺脫對傳統高導熱材料（例如鈹銅）的依賴。
圖2 LiM-X260M設備
專為模具行業定制開發，用于模具功能鑲件的直接制造
另一款設備則是基于電弧增材技術，用于部分高端模具的表面修復（圖３）。該修復技術過去10年中已經在核電、采礦和冶金行業得到了成熟應用，大量的實踐證明，通過適當的材料改性并配合適當的工藝，可以顯著提升經修復模具的耐用性。
鐳明激光電弧增材WT1400設備，專用于高端模具修復
經過多年實踐，模具行業在利用增材制造技術的應用方面已經積累了一定經驗。然而，技術難點仍然存在，它們包括：
基于增材制造的模具設計規范仍然有待完善
近年來通過實踐應用，模具行業已經初步掌握了基于增材的模具設計原則，例如對流道截面積、流道曲率和壁厚等重要參數，業內已經達成普遍共識。然而針對一些特殊問題，例如針對內流道表面處理，如何在流速、熱交換效率和防銹等相互矛盾的需求方面取得平衡，仍然缺乏統一標準。
材料的局限性
目前適用于增材制造工藝的材料牌號仍然較有限，這極大地限制了增材制造價值的進一步挖掘。例如銅合金的增材制造仍然存在難度，迫使我們必須努力去尋找替代材料。
嫁接定位技術仍然有提高空間
由于增材制造目前仍然主要用于鑲件的加工，這些獨立加工出來而且需要進行后處理操作的鑲件如何與模具母體進行精準的嫁接是必須要考慮的問題。尤其是對一些小批量制造的模具，如何保證嫁接的一致性是一個難題。目前主流的解決方案是開發特制的夾具來實現，但目前市場上可用的夾具仍然稀缺。
增材制造模具的后期維護規范化
近年來業內發現，部分增材制造加工的鑲件在早期展現了相當好的性能優勢，然而隨著長時間使用，這些優勢逐漸消弱甚至消失。要解決該問題，需要模具用戶在模具的日常維護，尤其是冷卻水的質量控制和水路的定期清理方面按照精益標準嚴格要求。只有貫徹這種全員生產維護的思想，才能持續擁有增材制造所帶來的價值。
當前制約增材制造技術在模具行業大規模應用的主要阻力在于設計經驗不足和制造成本高。為了更好地獲得增材制造的價值，行業里所有的利益攸關方需要共同努力。
一方面OEM企業的產品設計師應當與模具企業緊密溝通，從產品設計端開始就嘗試利用增材制造所能創造的自由度，并在模具設計中充分發揮其功能優勢。從而降低產品制造的總成本。
另一方面增材制造服務商、材料制造商和設備制造商應當共同努力，繼續致力于制造服務成本的降低。近年來隨著制造工藝的成熟度提升，加工中的機時和材料浪費顯著下降。同時隨著國產設備和國產材料的成熟度提升，機時費和材料費也一直呈下降趨勢。例如針對模具鋼的增材制造工序成本已經由2017年9～10 元/g大幅下降到2020年的2～3 元/g。隨著需求上升，制造服務商將有更多的機會進行拼單生產，這將進一步促進制造成本的良性下降。
需要強調這些努力是需要協同的，而僅僅依賴企業間的自發協同很難推廣。因此在這一過程中，來自媒體、行業協會和學校的參與也必不可少。鐳明激光愿意廣泛參與這種協同，分享知識和經驗，為促進行業的健康發展貢獻力量。
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