導(dǎo)讀：豐田新款混動車型在變速箱殼體開發(fā)過程中使用了Fraunhofer ILT的龍門架大型LPBF金屬3D打印機和一款新型工具鋼L-40，制造了大尺寸的帶有隨形冷卻水路的模具鑲件，顯著縮短了生產(chǎn)時間并實現(xiàn)了更復(fù)雜的冷卻設(shè)計。

制造背景

電氣化是當(dāng)今汽車業(yè)發(fā)展的重要趨勢，價格競爭也更加激烈。汽車制造商希望大范圍合并零部件，并實現(xiàn)單一大尺寸部件的直接制造。這便對壓鑄模具提出了更高要求，模具必須能夠承受極端熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，同時需要快速適應(yīng)設(shè)計變化。

傳統(tǒng)加工技術(shù)和工具鋼種類（例如H11、H13或M300）已難以大規(guī)模滿足這些要求。實際上豐田公司已在批量生產(chǎn)中使用3D打印模具，并發(fā)現(xiàn)3D打印的模具壽命顯著延長，與傳統(tǒng)鑲件相比，使用壽命可延長四倍。

采用L-40材料的傳統(tǒng)制造和增材制造模具零件的使用壽命比較

此次，豐田選擇與德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、美國工程金屬部件供應(yīng)商MacLean-Fogg公司合作，采用激光粉末床熔融3D打印技術(shù)，以及新開發(fā)的工具鋼L-40，為豐田汽車生產(chǎn)了一款大型壓鑄模具鑲件。

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所LPBF 3D打印工藝技術(shù)組組長解釋：“為了克服這些限制，我們需要新一代的機器和材料，專門針對大型高壓精密沖壓模具的需求，我們實施的最新變革正是圍繞這種組合進行的。”

制造設(shè)備：龍門架金屬3D打印機

弗勞恩霍夫ILT公司設(shè)計了一臺基于龍門架的五激光PBF-LB/M機床，其打印尺寸為1000×800×350mm。激光頭可以在龍門架上移動，從而可以獨立操作鋪粉。該系統(tǒng)配置可以允許多個激光器同時打印多個零件，從而提高機器的速度和制造更大零件的能力。它最初配備四激光器系統(tǒng)，后來擴展到5個激光器，并且可進一步擴展到12個激光器。

與固定床系統(tǒng)不同，該設(shè)備采用可移動的加工頭，并配有局部保護氣引導(dǎo)，使得氣體流速和激光偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)在構(gòu)建區(qū)域擴大時保持不變。

豐田公司所需要開發(fā)的模具鑲件的尺寸為515×485×206mm。為了最大限度降低對大體積模具至關(guān)重要的溫度梯度，F(xiàn)raunhofer ILT還開發(fā)了一個可加熱的基板模塊，使構(gòu)建平臺的溫度可達200°C，這種方法降低了構(gòu)建過程中的熱應(yīng)力和開裂風(fēng)險。該系統(tǒng)還具有寬敞的安裝空間、高工藝穩(wěn)定性和主動預(yù)熱功能，使其成為全球首批適用于經(jīng)濟性的生產(chǎn)近凈形壓鑄模具（甚至巨型或超級壓鑄）的LPBF系統(tǒng)之一。

冷卻水道設(shè)計：新形狀取代了傳統(tǒng)的針狀冷卻（上圖），包含復(fù)雜的共形冷卻水路（下圖）

制造材料——新型L-40鋼

MacLean-Fogg研發(fā)的L-40鋼是一種專為壓鑄工具3D打印工藝開發(fā)的新型粉末。與傳統(tǒng)工具鋼相比，L-40在3D打印和熱處理過程中的開裂傾向顯著降低。即使在成品狀態(tài)下，L-40 也能達到較高的尺寸精度，并在硬度（48 HRC）、抗拉強度（1420 MPa）和缺口沖擊強度（>60 J）方面表現(xiàn)出色。全面的測試已成功驗證了新機器在復(fù)雜幾何形狀（例如帶有圓形或懸垂式冷卻通道）中的制造能力。

混合制造方案

作為項目的一部分，合作伙伴為豐田已投入使用的變速箱殼體生產(chǎn)了增材制造的模具鑲件，內(nèi)置復(fù)雜的近輪廓冷卻通道網(wǎng)絡(luò)，僅此一點就足以證明增材制造的顯著優(yōu)勢，而傳統(tǒng)加工無法實現(xiàn)。

項目團隊首先采用傳統(tǒng)工藝加工出帶有垂直冷卻通道的預(yù)制件，然后在其上3D打印構(gòu)建隨形水路。這需要機床精確校準(zhǔn)，確保兩個部件之間的精確對準(zhǔn)和可靠連接。由于金屬3D打印工藝僅用于傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的部件區(qū)域，因此這種混合制造方案有望進一步縮短制造時間并降低成本。

金屬打印完成后，對鑲件進行去應(yīng)力退火處理，并采用傳統(tǒng)工藝對其功能表面進行銑削。3D打印的零件尺寸精度很高，只需進行少量精加工，無需進一步投入材料。

MacLean-Fogg公司產(chǎn)品管理總監(jiān)表示：“憑借L-40，我們致力于突破增材制造在冷熱成型模具，尤其是壓鑄模具領(lǐng)域的極限。該項目證明了生產(chǎn)大型、復(fù)雜且高度耐用的鑲件在技術(shù)上是可行的，并能實現(xiàn)經(jīng)濟效益。增材制造已準(zhǔn)備好迎接真正的工業(yè)規(guī)模挑戰(zhàn)。”

3D打印的鋁壓鑄模具是豐田雅力士混合動力汽車變速箱殼體模具的一部分

鑲塊內(nèi)的隨形冷卻水路能調(diào)節(jié)模具的熱應(yīng)力區(qū)域。通過降低局部溫度峰值，該系統(tǒng)減少了熱機械磨損并延長了使用壽命。早期研究表明，3D打印模具的使用壽命比傳統(tǒng)H13鑲塊高出四倍，而本項目將這些優(yōu)勢擴展到更大規(guī)模的應(yīng)用。對于制造商而言，這意味著更少的工具更換、更低的成本以及更快的響應(yīng)新設(shè)計需求。

采用3D打印工藝生產(chǎn)大型鑄模，解決了當(dāng)今汽車生產(chǎn)中的諸多關(guān)鍵挑戰(zhàn)，尤其是在向電動汽車轉(zhuǎn)型的背景下。其決定性優(yōu)勢在于隨形冷卻技術(shù)，該技術(shù)首次利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)了自由設(shè)計。冷卻水道可根據(jù)模具的高熱應(yīng)力區(qū)域進行最佳調(diào)整。這降低了局部溫度峰值，減少了熱機械磨損，并顯著延長了模具的使用壽命。

同時，增材制造技術(shù)能夠大幅縮短生產(chǎn)周期。與耗時的加工多個工具部件及其組裝相比，整合的端到端增材制造結(jié)構(gòu)可以大幅縮短交付周期。對于原始設(shè)備制造商 (OEM) 而言，這意味著縮短開發(fā)周期，并加快新車平臺的上市時間。

注：本文由3D打印技術(shù)參考譯自Fraunhofer ILT官網(wǎng)新聞，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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