南極熊導(dǎo)讀

目前，金屬模具已經(jīng)成為3D打印技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向，3D打印常被用于制造注塑模具、輪胎模具、鞋模等，這些模具可用于大批量地生產(chǎn)塑料制品、輪胎、鞋底、汽車金屬零件等等。由于3D打印金屬模具可以在內(nèi)部設(shè)計隨形冷卻的水路，解決傳統(tǒng)直孔冷卻水路冷卻不均這一瓶頸問題，大幅縮短模具冷卻時間，提高生產(chǎn)效率，因此成為模具行業(yè)的重要發(fā)展趨勢之一。

然而，在前幾年的應(yīng)用過程中，3D打印模具仍然存在一些問題亟待突破，如今這項技術(shù)和應(yīng)用進展如何了？

2023年11月，南極熊對上海毅速激光科技有限公司副總經(jīng)理王利軍先生進行了專訪。

△上海毅速激光科技有限公司副總經(jīng)理王利軍

01

要做好3D打印模具必須研發(fā)新材料

上海毅速成立于2007年，早期主要從事模具相關(guān)的制造業(yè)務(wù)。隨著金屬3D打印技術(shù)的日漸成熟，隨形冷卻水路為金屬模具的制造帶來了新的發(fā)展方向。2018年，上海毅速開始研究金屬3D打印在模具領(lǐng)域的應(yīng)用，并以用途最為廣泛的注塑模具為切入點，通過為模具設(shè)計隨形冷卻水路并3D打印制造的方式來改進注塑模具。

△3D打印隨形冷卻模具設(shè)計圖

看到新設(shè)計的3D打印隨形冷卻模具大幅縮短了注塑冷卻時間，王利軍團隊喜出望外，然而在后期的測試和使用過程中，王利軍發(fā)現(xiàn)3D打印的模具固然提高了效率，但是模具在耐腐蝕、耐疲勞等方面并不盡如人意，傳統(tǒng)的注塑模具壽命可達50萬模次（生產(chǎn)50萬個塑料零件），但3D打印的模具壽命僅在10萬模次左右。

△上海毅速為汽車廠3D打印的隨形冷卻模具

王利軍告訴南極熊：“要想提高3D打印模具的壽命，必須研發(fā)新的材料。好的3D打印模具鋼材料需要具備六方面的性能：

① 打印性能好；

② 導(dǎo)熱性能好，冷卻速度快；

③ 力學(xué)性能好；

④ 耐磨性好；

⑤ 耐腐蝕（冷卻水路中的冷卻水容易導(dǎo)致銹蝕、堵塞、失效）；

⑥ 耐疲勞壽命（壽命必須長）?！?/p>

在進入行業(yè)一年多之后，上海毅速開始著手開發(fā)新材料。然而，開發(fā)新材料并不容易，需要深厚的學(xué)術(shù)背景和大量的研究試驗，全靠企業(yè)的力量很難取得又快又好的結(jié)果。王利軍曾在上海模具技術(shù)協(xié)會擔(dān)任副會長，跟上海交大有著良好的合作基礎(chǔ)，這為開發(fā)模具專用的3D打印材料開辟了道路。

王利軍表示：“經(jīng)過近兩年的努力，我們研發(fā)出了專為3D打印而設(shè)計的多款金屬粉末材料，包括EM201?高導(dǎo)熱馬氏體不銹鋼粉末、EM400? 高拋光模具鋼粉末、EM300? 高耐磨模具鋼末等。這些材料從不同維度上提升了傳統(tǒng)打印材料的性能，在根本上解決了模具行業(yè)因材料缺乏而不能廣泛采用增材制造的痛點，加速了金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用推廣進程。特別是EM201?高導(dǎo)熱不銹鋼粉末，已獲得了中國和歐洲發(fā)明專利授權(quán)?！?/p>

數(shù)據(jù)顯示，EM201?這款材料的導(dǎo)熱系數(shù)高達80 W/m℃，約為普通模具鋼的4倍。此外，該材料在韌性、硬度和抗開裂等整體性能方面也表現(xiàn)得十分出色。當(dāng)與3D打印隨形水路搭配使用時，其導(dǎo)熱效果可媲美鈹銅，從而為企業(yè)提質(zhì)降本增效提供了新途徑。

王利軍表示：“在實際應(yīng)用中，EM201?這款新材料的效果受到了廣泛認可。如在電子煙制造方面，我們今年的一家客戶，采用普通材料，模具冷卻時間為14s，用EM201?材料，模具冷卻時間降到7s，設(shè)計結(jié)構(gòu)相同，但冷卻效率提升50%。僅這一套模具，一個月的產(chǎn)能就提升了13萬件，在行業(yè)內(nèi)一炮打響。而且對于大部分注塑產(chǎn)品，采用EM201?材料制造的模具的壽命也可以達到幾十萬模次。現(xiàn)在有越來越多的企業(yè)想采用這款材料，為此我們在加緊擴大產(chǎn)能?！?/p>

對于快速消費品包裝、醫(yī)療用品耗材、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，產(chǎn)品的需求量往往高達幾百萬甚至幾千萬件，對于效率的追求一直是永恒的話題。這正好為毅速EM201?材料提供了發(fā)揮其價值的機會。

02

向更高要求的3D打印壓鑄模具進發(fā)

相比于注塑模具，壓鑄模具對于材料的要求更高。注塑模具的工作溫度為200-300℃，模具表面溫度為100℃多。而以壓鑄鋁合金件為例，鋁液溫度高達600℃，壓鑄模具的表面溫度也達到400℃左右。因此，兩種模具對原材料的要求完全不一樣，研發(fā)3D打印壓鑄模具的材料更加困難。

王利軍表示：“上海毅速目前還研發(fā)了一款用于壓鑄模具的新材料EM213，這款材料性能更好，已經(jīng)進行了一些試用，適當(dāng)?shù)臅r候我們將推向市場?！?/p>

△上海毅速3D打印壓鑄模具和EM213粉末

王利軍指出：“除了注塑和壓鑄模具，3D打印在吹塑模具、擠塑模具、熱壓模具等細分領(lǐng)域，都有很大的應(yīng)用空間和潛力，不過市場還需要慢慢培育?！?/p>

03

研發(fā)模具專用3D打印機

通過過去幾年3D打印在模具行業(yè)大量的應(yīng)用和拓展，王利軍發(fā)現(xiàn)好的原材料、好的工藝，也離不開裝備的平臺，3D打印機是一個載體，能把新材料和打印工藝融合在載體上。三者密不可分、協(xié)同發(fā)展，裝備也要契合模具打印細分方向。

王利軍表示：“公司正在研發(fā)模具專用設(shè)備，2024年將正式推出。我們的設(shè)備為雙激光金屬機，采用進口的激光器、振鏡系統(tǒng)，并經(jīng)過特定的改進之后，能夠滿足長期穩(wěn)定、高效率的生產(chǎn)任務(wù)需求。設(shè)備在操作、成型效率、成型品質(zhì)等方面均具有獨特優(yōu)勢。我們要將材料、設(shè)備、工藝三者融合在一起，形成模具行業(yè)的專用解決方案，嵌入到行業(yè)轉(zhuǎn)型升級中，加速世界向增材制造的轉(zhuǎn)變。”

據(jù)南極熊了解，上海毅速已經(jīng)安裝了20+臺金屬3D打印機，同時為了滿足客戶需求，正在廣東規(guī)劃建設(shè)一個新工廠，將裝機50臺金屬3D打印機，首批將投放15臺，預(yù)計每年生產(chǎn)幾千上萬件模具工件。

在南極熊看來，3D打印機經(jīng)歷了通用機時代的發(fā)展，如今正在向各個細分領(lǐng)域深入，匹配細分應(yīng)用市場的特殊需求。無論是航空航天、齒科、醫(yī)療、模具、一般工業(yè)，每個領(lǐng)域?qū)τ诖蛴C的成型尺寸、打印效率、零件性能、產(chǎn)品認證、使用成本等方面均有不同的需求，主動去迎合細分市場是當(dāng)前的發(fā)展趨勢，而上海毅速正在深挖模具這個領(lǐng)域，成為產(chǎn)業(yè)鏈的變革者。