金屬3d打印在高壓壓鑄模具上的發(fā)展趨勢(shì)

來(lái)源：中鑄

不論是模具還是鑄件，降成本、短交期方面的需求，可能會(huì)前所未見(jiàn)的強(qiáng)烈。同時(shí)對(duì)質(zhì)量需求還不會(huì)降低，甚至更高。從近兩年來(lái)特斯拉結(jié)構(gòu)件以及BYD動(dòng)力總成件的情況來(lái)看，一方面，模具壽命普遍短于傳統(tǒng)車企，鑄件良率普遍低于傳統(tǒng)鑄件，體現(xiàn)出新部件的生產(chǎn)成熟度還有提高空間；另一方面，車企對(duì)高集成度壓鑄件青睞度與日俱增，即便模具壽命低、產(chǎn)品良率低也照樣開(kāi)發(fā)，這與汽車銷量是直接相關(guān)的。

同樣是2000+噸級(jí)的模具以缸體為例，就算比亞迪壽命僅5萬(wàn)良率80%，豐田壽命20萬(wàn)良率99%，問(wèn)題多多的比亞迪模具還是王道，畢竟車賣不出去再高的壽命、再高的良率都沒(méi)有意義。今朝的新能源拋棄油車，就如同當(dāng)年70年代全球石油危機(jī)時(shí)，小排量拋棄大排量、底特律從巔峰跌落至鬼城是極為相似的。也就可以理解為何以汽車產(chǎn)業(yè)為支柱的湖北，今年如此的“壯士斷腕”。

在此趨勢(shì)下，目前1.2-2元/g的3D打印模具價(jià)格，必然還要下降才能滿足市場(chǎng)的需求。粉末公斤價(jià)下降到100元級(jí)，也就是0.1元/g，50元/H的時(shí)機(jī)費(fèi)下每小時(shí)打印克重如果在125g以上，打印克價(jià)就可能來(lái)到0.4元/g，那么打印成本就會(huì)與進(jìn)口粉末鋼相當(dāng)，對(duì)外報(bào)價(jià)也會(huì)來(lái)到0.8-1元/g這個(gè)級(jí)別。也就是說(shuō)在一套模具上花費(fèi)8-10萬(wàn)就可以收獲100kg的3D打印部件。

以一體化結(jié)構(gòu)件模具為例，如果善用這8-10萬(wàn)的3D打印部件，對(duì)鑄件控砂眼、控?zé)崞胶�、控粘模，�?duì)模具優(yōu)化水路、優(yōu)化鉆孔加工、優(yōu)化頂桿布置，這些改進(jìn)對(duì)于一套總價(jià)1000-1500萬(wàn)的大模具來(lái)講，可能就不僅僅是比較劃算，而是非常物超所值了。

可是要實(shí)現(xiàn)如此程度的成本壓縮，就需要3D打印行業(yè)從業(yè)人員的共同努力了。與航空航天等大量依賴國(guó)家支撐的行業(yè)不同，汽車模具是市場(chǎng)化的大規(guī)模制造行業(yè)，與其相關(guān)的模具正是為數(shù)不多的能夠讓金屬3D打印行業(yè)真正自己養(yǎng)活自己的點(diǎn)。而要在這個(gè)點(diǎn)上養(yǎng)活自己，就必須實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，規(guī)模化了才能價(jià)格合理化。價(jià)格越合理化，原本屬于傳統(tǒng)模具鋼和機(jī)加工的市場(chǎng)就會(huì)越多的轉(zhuǎn)移到3D打印這里。

我們講3D打印要“從頭越”，根源也就在這里。誰(shuí)能進(jìn)一步的下探價(jià)格，誰(shuí)就能更好的跟上汽車行業(yè)新能源革命的步伐，誰(shuí)就能獲得更多擴(kuò)大規(guī)模、站穩(wěn)行業(yè)腳跟的機(jī)會(huì)。這與國(guó)內(nèi)目前3D打印行業(yè)更多專注于航空航天能源醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、更多研究工作傾向于鈦合金、高溫合金的趨勢(shì)其實(shí)是很大程度上相反的。下面我們從粉末和打印設(shè)備兩個(gè)方面深入探討。

打印粉末
在全國(guó)的粉末產(chǎn)能中鈦合金、高溫合金仍是主力，利潤(rùn)上它們也是主力。鋼粉不僅次要，而且用于模具的粉仍不是主流，這就表明實(shí)際上鋼粉特別是用于模具的鋼粉仍會(huì)有價(jià)格下探的空間。模具鋼粉中應(yīng)用于注塑模具的以CX類時(shí)效硬化不銹鋼為主，應(yīng)用于壓鑄模具的以1.2709類（18Ni300）馬氏體時(shí)效硬化鋼為主。這兩類粉之所以被優(yōu)先引入模具行業(yè)是因?yàn)榇蛴⌒阅軆?yōu)良，不容易裂，對(duì)預(yù)熱要求低。實(shí)際上這兩類粉本身就是易焊材的常用料。很多焊補(bǔ)公司的所謂“拿手絕活”，正是基于各種渠道獲得的時(shí)效鋼焊條來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

以1.2709為例，北美一般稱為C300，作為傳統(tǒng)材料其具有不錯(cuò)的韌性以及顯著優(yōu)于H13的抗回火性能，所以早在70年代人們就知道如果用C300、C250做壓鑄模具，龜裂壽命往往是H13模具的3倍以上。但是因1.2709材料過(guò)于昂貴的價(jià)格（動(dòng)輒1000元/kg以上，主要來(lái)自昂貴的冶煉成本）使得它基本不可能被大規(guī)模應(yīng)用到商業(yè)模具中。借助3D打印以粉末形式重新來(lái)到壓鑄模具市場(chǎng)后，高Ni高Co的合金成分又阻礙了它粉末成本的進(jìn)一步下降。

很難降到200元/kg以下，除非賠錢(qián)做。2709雖然具有優(yōu)秀的抗回火能力，但是對(duì)于3D打印壓鑄模具來(lái)說(shuō)，并非是第一性能。這是因?yàn)槭紫?D打印模具不是用來(lái)提高壽命的，而是借助隨形水路用來(lái)實(shí)現(xiàn)額外功能的。所以模具需要高導(dǎo)熱能力以充分發(fā)揮隨形水路能力、降低水路設(shè)計(jì)難度，而2709的熱導(dǎo)率僅為H13的三分之二以下。其次，當(dāng)隨形水路設(shè)計(jì)到位后，模具本身的熱負(fù)荷降低很多，不需要特別高的抗回火能力也能實(shí)現(xiàn)較好的壽命。這也就導(dǎo)致了2709導(dǎo)熱能力不足、抗回火能力過(guò)剩這種尷尬情況，被市場(chǎng)淘汰基本是注定的。

目前市場(chǎng)上的下一代壓鑄3D打印粉主要是H13類，包括市場(chǎng)鋼各類知名鋼材制粉如DAC55、Dievar、W350等等，不一而足。合金成本要比2709等時(shí)效鋼類更低。從鋼材分類上來(lái)看這些包括H13在內(nèi)的材料，都屬于二次硬化中溫高強(qiáng)鋼，經(jīng)550℃以上回火，適用于500℃下仍需要強(qiáng)度的工作環(huán)境。相比于300M等低合金高強(qiáng)鋼，它們的5Cr成分使之具有極為出色的淬透性及淬硬性，適應(yīng)大厚度大截面模具的熱處理。

但是3D打印模具至少目前來(lái)說(shuō)顯然不是大截面的，所以這部分同樣存在性能過(guò)剩，這部分完全可以通過(guò)降低Cr含量而轉(zhuǎn)移到更優(yōu)秀的導(dǎo)熱性上。并且高淬硬性對(duì)3D打印成型過(guò)程是不利的，易裂，所以這類粉的打印過(guò)程一般要比2709等時(shí)效鋼要慢一些。下一步的開(kāi)發(fā)方向就是如何進(jìn)一步提高導(dǎo)熱性，如何進(jìn)一步優(yōu)化可打印性。

粉末種類經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化后，結(jié)合國(guó)內(nèi)的制粉能力，確實(shí)有進(jìn)一步降低粉末成本的可能。屆時(shí)粉末種類預(yù)計(jì)也會(huì)在不斷的迭代中得到明確和統(tǒng)一。

打印設(shè)備
國(guó)內(nèi)廠家在開(kāi)發(fā)大型打印設(shè)備方面已經(jīng)領(lǐng)先世界，傳統(tǒng)歐洲品牌EOS、SLM式微已極。得益于國(guó)家支撐的航空航天等項(xiàng)目，大型設(shè)備打印大型構(gòu)件，國(guó)內(nèi)諸多廠家已經(jīng)有了相當(dāng)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從技術(shù)難度上講，大量采用復(fù)雜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的鈦合金、高溫合金部件，比只需要做隨形水路的3D打印壓鑄模具要難得多，鈦合金天生的低導(dǎo)熱使得它的應(yīng)力累積相關(guān)問(wèn)題也比鋼嚴(yán)重得多，各類品控需求在設(shè)備端催生出各類監(jiān)控需求及相關(guān)設(shè)備、方法，包括但不限于：

聲信號(hào)—聲學(xué)傳感器—?dú)饪茁�、裂紋、鋪粉高度；

光信號(hào)—高速攝像機(jī)、光電二極管—粉末熔凝、熔池形貌、交叉污染；

熱信號(hào)—熱像儀、CCD相機(jī)—熔池面積、熔池溫度、熔池尺寸/飛濺/冷卻速率；

3D打印機(jī)的激光源、振鏡、風(fēng)場(chǎng)、程序等等方面已經(jīng)相當(dāng)充分的市場(chǎng)化，價(jià)格下落很多。涉及品控的上述功能及相關(guān)配件、系統(tǒng)，如果是針對(duì)特型粉、專一用途例如模具打印的特型機(jī)來(lái)配套，并且規(guī)�；�，價(jià)格必然是要下探的。也就是講專機(jī)專粉+規(guī)�；�，必然會(huì)將成本進(jìn)一步下降。3D打印中打印機(jī)機(jī)時(shí)費(fèi)是粉末之外的最大頭，國(guó)內(nèi)包括鉑立特、E-Plus在內(nèi)都推出了10激光的米級(jí)通用設(shè)備。按每個(gè)激光頭成型效率15cm3/h計(jì)算，10頭總共為150cm3/h，一小時(shí)約打印1.2kg，專用機(jī)不換粉的話機(jī)時(shí)費(fèi)目前可到500元/h，相當(dāng)于克價(jià)不到0.42元/g。與上面估算的降低后克價(jià)已經(jīng)很接近了，并且顯然如果是特型機(jī)的話還有再優(yōu)化的空間。

所謂特型機(jī)就是專門(mén)打印模具、或者特定模具部件（鑲件、水套、型芯等等）的設(shè)備。通用機(jī)的設(shè)計(jì)是要滿足打印鋁、鈦、鎳、鋼等多種材料、多種部件的需要。所以要多方兼顧、追求通用性。也就必然很難針對(duì)專一用途進(jìn)行優(yōu)化、降成本。對(duì)于模具打印而言，特定的粉末、特定優(yōu)化的激光、尺寸、基板、刮刀，必然效率要超過(guò)通用機(jī)，也就會(huì)讓成本進(jìn)一步下降，效率進(jìn)一步提高。

未來(lái)趨勢(shì)
從上面的討論我們了解到3D打印壓鑄模具是完全可以進(jìn)一步降低成本的，甚至我們可能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的看到了追趕傳統(tǒng)機(jī)加工減材制造的背影。可以想象如果3D打印做模具的總價(jià)真的來(lái)到0.5元/g，或者說(shuō)500元/kg這個(gè)級(jí)別，很多模廠老總們要掏出小本本好好合計(jì)下一臺(tái)設(shè)備到底是該投一臺(tái)NC還是一臺(tái)3D打印機(jī)了。

畢竟當(dāng)價(jià)格下來(lái)后，3D打印的靈活性優(yōu)勢(shì)會(huì)被最大程度的發(fā)揮出來(lái)。這個(gè)所謂的靈活性不光是講隨形水路帶走熱量這一個(gè)層面，而是講模具的性能有機(jī)會(huì)被控制、從而實(shí)現(xiàn)最大的性價(jià)比。大家知道模具失效主要有兩種，或早或晚總會(huì)發(fā)生的必然類失效，比如熱龜裂；以及受各類因素影響的偶發(fā)類失效，比如開(kāi)裂漏水掉塊。在目前汽車新能源革命的場(chǎng)景下，5萬(wàn)模內(nèi)必然失效程度可接受/不發(fā)生偶發(fā)失效的鑲件，比50萬(wàn)模必然失效程度可接受/不發(fā)生偶發(fā)失效的鑲件要實(shí)際得多，性價(jià)比高得多。

因?yàn)樾萝嚨�代太快，就像智能手機(jī)剛出來(lái)時(shí)一樣，很多設(shè)計(jì)半年后就過(guò)時(shí)，生產(chǎn)工具過(guò)長(zhǎng)的壽命并無(wú)意義甚至是負(fù)擔(dān)。同樣為了多余壽命而支出的多余強(qiáng)度、多余韌性、多余價(jià)格、多余交期，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)都是不利的。3D打印借助于隨形水路，可以有機(jī)會(huì)來(lái)調(diào)控模具的生產(chǎn)負(fù)荷，通過(guò)合理設(shè)計(jì)可以使一款經(jīng)濟(jì)合適的粉材及打印工藝滿足使用需求，也就不必在這些地方再進(jìn)行額外的支出，從而為企業(yè)降本增效。比如原先一個(gè)鑲件需要PVD來(lái)抗粘鋁，現(xiàn)在做一個(gè)3D件，粘鋁5萬(wàn)模內(nèi)很ok，那么PVD的成本也就節(jié)省了。其他方面亦是如此。