隨著金屬增材制造作為制造塑料注射成型模具技術(shù)的發(fā)展，許多公司利用3D打印技術(shù)通過縮短周期時(shí)間和挑戰(zhàn)常規(guī)方法進(jìn)行隨形冷卻來節(jié)省成本并提高生產(chǎn)率。

這些熱加工應(yīng)用正在增長(zhǎng)，但是3D打印在冷加工工模具領(lǐng)域卻鮮為人知。本期，3D科學(xué)谷與谷友通過案例來一起洞悉瑞典工模具鋼行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者如何通過GE EBM設(shè)備3D打印冷作工模具。

Uddeholms從材料到3D打印再到后處理的全流程服務(wù) Uddeholms

隨著對(duì)輕質(zhì)產(chǎn)品的需求增加，越來越多的高級(jí)高強(qiáng)度鋼被使用在最終產(chǎn)品中。這對(duì)用于沖壓成形和修整鈑金零件的工具鋼以及零件的質(zhì)量提出了更高的要求，需要沒有毛刺，并且避免應(yīng)力集中，從而不會(huì)危及所生產(chǎn)零件的使用和壽命。這對(duì)用于沖壓，成形和修整鈑金零件的工模具鋼提出了更高的要求。

瑞典高合金工具鋼生產(chǎn)商Uddeholms 通過3D打印獲得了耐磨損且節(jié)約材料的模具。其所用的材料是冷作工具鋼，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解這種材料最重要的性能是良好的耐磨性，這通常是由淬硬組織中大量碳化物實(shí)現(xiàn)的。碳化物的形成是由特定的合金元素驅(qū)動(dòng)的，并由碳含量控制。因此，冷作工具鋼牌號(hào)是高度合金化的鋼牌號(hào)，并且碳含量高。

然而高的碳含量使得在嘗試使用3D打印生產(chǎn)工模具時(shí)會(huì)引起問題-根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解這種材料非常容易在快速凝固過程中開裂。冷作工具鋼是不可焊接的材料，另外，在凝固和隨后的熱處理期間的偏析效應(yīng)可能導(dǎo)致碳化物的不均勻分布，從而導(dǎo)致較差的磨損性能。

顯現(xiàn)激光與電子束加工的巨大差異

因此通過3D打印來生產(chǎn)冷作工具鋼就排除了激光熔化金屬3D打印技術(shù)，Uddeholms 選擇了GE 增材制造旗下的Arcam的電子束熔化（EBM）工藝，該工藝雖然仍然很熱，但可用于加熱（散焦）和熔化（聚焦），這允許在加工期間控制和維持溫度以防止裂紋形成的可能性。

此外，EBM是真空工藝，可保護(hù)材料和粉末不受污染，從而可以將所需合金的嚴(yán)格化學(xué)性能保持在其規(guī)格范圍內(nèi)。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解熔化過程中的高凝固速率導(dǎo)致細(xì)小且均勻的微觀結(jié)構(gòu)，這對(duì)于碳化物的形成和分布都是必需的。

使用GE Additive Arcam EBM HT在950°C下加工Uddeholm Vanadis 4 Extra硬質(zhì)合金 Uddeholms

為了釋放EBM電子束金屬3D打印技術(shù)在冷作工具鋼材料加工中的潛力，Uddeholm和GE Additive開發(fā)了用于EBM的Uddeholm Vanadis 4 Extra粉末材料，這種材料是一種鉻-鉬-釩合金鋼，最初開發(fā)為PM粉末冶金用途（單軸向剛性模具壓制成形法），現(xiàn)已進(jìn)行了修改并適用于EBM工藝。

Uddeholm Vanadis 4 Extra保留了PM版本的材料性能，具有優(yōu)異的耐磨性和良好的韌性，優(yōu)于D2等傳統(tǒng)的冷作工具鋼。通過在EBM處理和后續(xù)熱處理，Uddeholm發(fā)現(xiàn)可以用細(xì)分散的碳化釩獲得硬化的顯微組織，從而提供必要的優(yōu)異耐磨性能和良好的韌性。

顯現(xiàn)電子束加工優(yōu)勢(shì)

通過EDM電子束金屬3D打印技術(shù)加工的Uddeholm Vanadis 4 Extra模具的硬度達(dá)到64 HRC，抗壓強(qiáng)度為2700 MPa，韌性為20J。經(jīng)過EBM加工的模具已經(jīng)在沖壓操作中進(jìn)行了測(cè)試，其中模具的磨損性能和所生產(chǎn)零件的質(zhì)量都與Vanadis 4 Extra PM級(jí)非常相似。

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3D打印冷作工具的優(yōu)勢(shì)與3D打印用于注塑的隨形冷卻模具的優(yōu)勢(shì)不同，3D打印用于注塑的隨形冷卻模具的主要目的是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)和內(nèi)置的冷卻通道。而一些傳統(tǒng)冷作工具的設(shè)計(jì)，要求進(jìn)行大范圍的機(jī)加工，最多可去除75％的材料。對(duì)于這些零件，通過3D打印可以大量節(jié)省加工時(shí)間、材料成本和能源。

3D打印冷作工具的典型好處是減少了所需的材料量–鋼鐵廠生產(chǎn)冷作工具的材料需要在合適的時(shí)間提供合適的材料等級(jí)，合適的尺寸和合適的材料，這使采購成為一項(xiàng)棘手的業(yè)務(wù)。在這種時(shí)候，這可能意味著增材制造是傳統(tǒng)工模具制造的一種很好的補(bǔ)充方法。這些工模具可以實(shí)現(xiàn)相同的性能，而不必花費(fèi)時(shí)間去尋找合適的原材料，占用資金和破壞現(xiàn)金流。

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在中國，Uddeholm的銷售是通過瑞典一勝百來完成的，瑞典一勝百成立于1945年，在亞太各地設(shè)有近50家銷售服務(wù)中心，為市場(chǎng)提供最優(yōu)質(zhì)的鋼材。作為亞洲工模具鋼解決方案供應(yīng)商，一勝百擁有較強(qiáng)的工模具鋼加工服務(wù)和技術(shù)專長(zhǎng)，是行業(yè)內(nèi)的重要力量。

從金屬粉末的生產(chǎn)開始，到工程設(shè)計(jì)、仿真、原型制造、加工和全范圍的后處理，一勝百提供增材制造全產(chǎn)業(yè)鏈的支持。這種端對(duì)端的解決方案，減少了浪費(fèi)并降低了供應(yīng)鏈中的風(fēng)險(xiǎn)。