金屬3D打印在工具和模具制造中的應(yīng)用

曾經(jīng)，較高的碳含量阻礙了金屬3D打印在模具鋼工件制造上的更多可能性。但如今，通過將基板加熱到500攝氏度，這些材料就能以工藝可靠的方式進(jìn)行打印。

200攝氏度的預(yù)熱是金屬3D打印的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但這是一種妥協(xié)，雖然預(yù)熱減少了殘余應(yīng)力，但另一方面這使粉末回收更加困難，并需要在打印工作結(jié)束時延長冷卻時間。據(jù)南極熊了解，通快公司的新一代 TruPrint 5000 打印設(shè)備（將在TCT Asia展會上展出，展位號H60），就不再需要在較小的殘余應(yīng)力和粉末可回收性之間作出妥協(xié)，這臺機(jī)器從一開始就為500度預(yù)熱設(shè)計(jì)和開發(fā)，因此即使是H11（1.2343）和H13（1.2344）等高碳類模具鋼等材料，它也能提供完美的工藝穩(wěn)定性，并且殘留的粉末可以毫無問題地被回收。預(yù)熱的工作方式

含碳鋼的金屬3D打印中，殘余應(yīng)力和變形始終是一個問題，特別是在制造大型、大批量的部件時。特別是，當(dāng)幾何的橫截面面積出現(xiàn)大的波動時，就會出現(xiàn)大的溫差，從而導(dǎo)致不均勻的散熱。部件中的熱誘導(dǎo)殘余應(yīng)力有可能會造成變形。在金屬3D打印過程中或之后，它就會分層（鼓起后從基板上脫離），有時甚至?xí)霈F(xiàn)裂縫。

一個有效的對策是在整個打印過程中保持基板的頂部溫度在500攝氏度。一方面，增加的預(yù)熱溫度減少了溫度差，另一方面，打印件的屈服強(qiáng)度也降低了，這兩個因素的結(jié)合意味著，在增材制造過程中，殘余應(yīng)力已經(jīng)減少。

△圖1：與200攝氏度的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，500攝氏度的預(yù)熱可以減少約95%的撓度（在懸臂上測量）通快的研究表明，金屬3D打印中500攝氏度的預(yù)熱比目前200攝氏度預(yù)熱的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)減少了約95%的變形。因此，較低的熱應(yīng)力提高了幾何精度，這在打印過程之前和之后都有積極的影響：在設(shè)計(jì)階段，許多以前為防止變形、分層和開裂而必須的支撐結(jié)構(gòu)和模擬步驟被取消了。這增加了零件的設(shè)計(jì)自由度，隨后也減少了后期處理的工作量，因?yàn)樾枰鸪闹挝锔佟?/p>

△圖2：如果一個部件在500攝氏度的預(yù)熱下進(jìn)行3D打印，Ti6AI4V部件中的殘余應(yīng)力就會大大降低（上）。這為設(shè)計(jì)開辟了全新的可能性，特別是在生產(chǎn)體積跳躍的更大規(guī)模的部件時。在200攝氏度時，殘余應(yīng)力明顯增加（下）。這導(dǎo)致了更高的準(zhǔn)備和后處理工作，因?yàn)樾枰嗟哪M和支持設(shè)計(jì)。

500攝氏度預(yù)熱的好處適用于所有部件的幾何形狀。盡管零件中的熱量分布因零件的幾何形狀而異，但通快已在測試中證明，高溫加工在所有情況下都有相同的效果。

在工具和模具制造中的應(yīng)用

使用金屬3D打印技術(shù)制造工具或模具的許多優(yōu)點(diǎn)已廣為人知 —— 它往往是此類任務(wù)的唯一可能的工藝。特別是要集成復(fù)雜的冷卻水路時，3D打印具有無可比擬的優(yōu)勢。但直到現(xiàn)在，還有一個問題尚需解決 —— 高碳鋼的3D打印。因?yàn)樵摬牧系哪湍バ院涂蓲伖庑?，讓工業(yè)界對其備受喜愛。然而，如果H11/H13在預(yù)熱200攝氏度的情況下進(jìn)行3D打印，在冷卻階段會形成硬而脆的馬氏體，這會導(dǎo)致部件中形成裂縫，因此，這類H11/H13材料的3D打印會讓廠家望而卻步。

現(xiàn)在，500攝氏度的預(yù)熱消除了這種限制。較高的基礎(chǔ)溫度減緩了冷卻過程，使其更加平穩(wěn)，從而防止了不理想的馬氏體的形成。顯微鏡檢查顯示，3D打印的H11/H13部件的密度高達(dá)99.99%。它們在強(qiáng)度和硬度方面也接近于傳統(tǒng)生產(chǎn)的H11/H13部件。在拋光性方面也沒有區(qū)別。

△圖3：（左）在1.2343和200攝氏度的預(yù)熱下出現(xiàn)裂紋；（右）在500攝氏度時無裂紋。在后續(xù)步驟中，剩余的小缺陷可以通過退火來糾正。

圖4：由注塑公司德國Reinhard Bretthauer GmbH在500攝氏度下打印的H11的高拋光部件。該部件無裂紋，密度超過99.9 %。拋光性也相應(yīng)很高 —— 與傳統(tǒng)生產(chǎn)沒有明顯的區(qū)別。由于集成了冷卻水路，在注射成型中穩(wěn)定地生產(chǎn)塑料部件成為可能，而且周期時間也大大縮短。

更高的設(shè)備可用性和粉末回收

更高的預(yù)熱也意味著更長的冷卻階段，根據(jù)3D打印工件的體積不同，冷卻時間可能會長達(dá)20小時。幸運(yùn)的是，通快的倉體可更換概念可以防止這些長時間的設(shè)備停機(jī) —— 一旦3D打印過程完成，成型倉就被移到一個單獨(dú)的冷卻站，機(jī)器可以立即裝上一個新的成型倉（如果需要的話，還有一個完整的供粉倉），并不間斷地運(yùn)行下一個打印作業(yè)，而之前的成型倉則在外部冷卻下來。

成本優(yōu)化

500攝氏度預(yù)熱的另一個可能的缺點(diǎn)是粉末的可回收性較差。由于較高的溫度會導(dǎo)致更多的氧化，這可能會降低H11粉末的可回收性。通快也能提供成熟有效的對策。

在生產(chǎn)開始前，整個成型倉都被充入氬氣。這就創(chuàng)造了一個殘余水分少，殘余氧氣含量非常低的系統(tǒng)氛圍，只有幾ppm。在使用H11的壓縮測試中，化學(xué)測試表明，即使經(jīng)過幾個打印周期，粉末的氧含量也與新粉相同：由于氧化程度低，粉末仍然非常自由流動，顆粒不會相互粘連。因此，該粉末可以很容易地從冷卻管道中移除，例如，不會留下任何殘留物。

結(jié)論

500攝氏度預(yù)熱不僅提高了金屬3D打印零件的質(zhì)量，而且還提高了設(shè)計(jì)自由度。它還減少了后期處理，完美實(shí)現(xiàn)“一次就把事情做對”的高效加工。通過預(yù)熱，高碳模具鋼能被可靠地進(jìn)行3D打印。盡管在制造工作結(jié)束時冷卻時間較長，但可更換的倉體設(shè)計(jì)確保了設(shè)備的高可用性，而且回收和粉末的流動性不會因高溫處理而有明顯改變。