盡管金屬3D打印模具的優勢已得到充分證明并已多次提出，但其應用進展仍然緩慢。一方面由于最初對材料性能的擔憂，另一方面由于市場對3D打印技術相關的特定成本與產品生命周期價值缺乏了解，但更重要的是，缺乏如何應用3D打印技術并將其集成到工廠中的專業知識。本期，3D科學谷將結合模具與金屬3D打印目前結合的態勢來理解金屬3D打印模具的發展趨勢。

金屬3D打印

隨形冷卻的漸進發展

壓力與挑戰

l 計算投資價值

模具制造商通常承受著來自客戶的巨大壓力，要求以最低的價格制造模具。此外，雖然3D打印的模具鑲件可以在交貨時間、質量和生產率方面帶來巨大收益，但從制造環節上通常會導致每個3D打印的鑲件產生額外的制造成本。因此，模具制造商必須精確計算額外投資的價值并向最終客戶證明。

3D打印注塑模具成本效益分析及創新性應用

l 與常規模具制造工藝集成

限制金屬3D打印技術在模具領域應用的最后因素是缺乏將其無縫集成到常規生產線中的解決方案，這也是3D打印在模具制造中應用的關鍵挑戰。

因為在模具制造領域，增材制造的鑲件需要經過后期的CNC數控加工來獲得模具所需的高表面質量，金屬3D打印技術與傳統加工工藝的無縫集成勢在必行。在集成的方案中，不僅要包括考慮到所有制造階段的軟件，還要提供全套的解決方案從而將3D打印設備、材料、CNC數控加工、夾具、自動化解決方案等多個要素結合在一起，組成了一個有效的制造生態系統，從而提高可操作性，降低成本和復雜性。

GF加工方案已瞄準了這一痛點，GF結合了多年的模具應用與金屬增材制造的專業知識，為模具制造商開發了一套從軟件到最終加工的完整解決方案。

金屬3D打印。

l3D打印技術本身的挑戰

基于粉末床的選區激光熔化金屬3D打印技術（LPBF）通常被用于加工隨形冷卻模具，這些模具的表面光潔度至關重要，因為它們將決定最終注塑零件的外觀。因此，至關重要的是，在3D打印模具鑲件時必須具有非常穩定的打印過程，以生產出高密度零件，從而在后加工后實現完美的表面光潔度，這些是3D打印技術本身最具挑戰性的要求。

模具應用的另一個挑戰是與增材制造工藝可以處理的材料相關，基于粉末床的選區激光熔化金屬3D打印技術（LPBF）本質上是焊接過程，模具中常用的通過淬火達到硬化狀態的材料由于焊接性能較差而在大多數情況下不適合通過3D打印來加工。在3D打印模具制造中，通常使用不用于模具制造但可以滿足模具需求的金屬材料，最常見的材料是馬氏體時效鋼。

金屬粉末供應商正在對新材料進行研究，以便滿足模具的特定需求（硬度，耐腐蝕性等），同時仍可進行高質量的3D打印。

金屬粉末

創新方案釋放3D打印潛能

混合型模具

雖然許多公司已經從隨形冷卻中獲得效率提高的好處，但從經濟可行性的角度考慮還需要開創一些創新的”混合零件“，尤其是對于需要大量材料的零件，因為增材制造的價格本質上與要打印的材料量有關。

為了克服這些挑戰并將3D打印技術有效地集成到模具加工工序中，制造商可以通過預先加工“預成型件”，然后使用增材制造技術來在其基礎上制造具有其增材制造特點的零件，從而優化這些模具鑲件的制造經濟性。

GF 加工方案與其合作伙伴3D Systems開發了獨特的”混合零件” 制造方案，該方案將減材制造技術與增材制造技術相結合，能夠以自動化的方式在瓶坯模具上進行高精度3D打印。

混合型模具鑲件，在預成型件的頂部3D打印

隨形冷卻應用

l 注塑模具

在過去幾年中，金屬3D打印技術在模具制造領域耕耘的應用以及研究都集中于隨形冷卻通道制造所帶來的優勢。典型的優勢包括減少注塑模具注射成型的周期，金屬增材制造技術所實現的冷卻通道設計優化，釋放了減少模具冷卻時間的潛能，這一點已獲得了普遍認可。但這并不是3D打印技術提升模具冷卻性能所帶來的唯一優勢。

3D打印具有隨形冷卻通道的熱流道

塑料零件的質量與注塑模具相關，尤其是如何實現均勻冷卻和消除熱點對最終塑料零件質量的影響很大。設計隨形冷卻通道的主要目的是獲得恒定的溫度梯度，從而避免收縮不均。這允許在注射過程之后更可重復的過程和更可預測的零件變形，同時還減少了通常需要補償變形的機械工具調整的需求。消除了開發階段常見的機械調整需求，從而減少了原型迭代，并加快了上市時間。

l高壓壓鑄模具

雖然金屬3D打印技術的大多數模具用戶都在注塑模具領域，但3D打印隨形冷卻技術的應用已引起了高壓壓鑄企業的興趣。

高壓壓鑄過程中的噴涂工藝主要有兩個目的：潤滑以改善脫模性，以及作為噴涂介質起到冷卻作用。工業上的發展趨勢是嘗試減少或消除噴涂步驟，而采用隨形冷卻設計是為了減少噴涂需求，延長模具壽命并保持鑄件的質量，鑄件的表面質量與鑄模的表面質量相關。

3D打印帶有隨形冷卻通道的模具

無論是注塑還是高壓壓鑄，隨形冷卻設計和增材制造的結合通常都會簡化模具設計。通過減少需要組裝的部件的數量（稱為組裝加固），從而消除或減少密封的需要。所有的注塑車間都目睹了密封失效的后果，并且非常了解與冷卻泄漏有關的停機事件。

目前，在使用3D打印模具鑲件的注塑和高壓壓鑄公司內部看來，金屬3D打印技術用于隨形冷卻模具制造已經成熟。我們將越來越多的看到金屬3D打印不再僅僅用于原型設計部門，而是在生產環境中使用。盡管如此，工業領域的投資決策是漫長的，并且是基于透徹的投資與回報思考。在這方面，GF加工方案開發的完整解決方案可改善金屬增材制造生態系統，并以扎實的技術專長為模具制造提供支持。

3D科學谷Review

3D科學谷在《3D打印模具的價值怎么衡量？》一文中，分析了3D打印技術隨形冷卻模具中容易被模具制造用戶所忽略的價值，包括材料的節約，后期機加工過程中對刀具磨損的減少，以及對機床占用成本的降低等等。因此，衡量模具的價值也從單純評估模具的價格，轉變為全生命周期（模具3D打印生產，后處理加工，注塑過程模具壽命，注塑成功率，產品質量等等），包含了各方面因素的附加值創造考量。