案例洞悉通过GE EBM设备3D打印冷作工模具应用

| 3DScienceValley · 2021/05/25

随着金属增材制造作为制造塑料注射成型模具技术的发展，许多公司利用3D打印技术通过缩短周期时间和挑战常规方法进行随形冷却来节省成本并提高生产率。

这些热加工应用正在增长，但是3D打印在冷加工工模具领域却鲜为人知。本期，3D科学谷与谷友通过案例来一起洞悉瑞典工模具钢行业领导者如何通过GE EBM设备3D打印冷作工模具。

Uddeholms从材料到3D打印再到后处理的全流程服务© Uddeholms

随着对轻质产品的需求增加，越来越多的高级高强度钢被使用在最终产品中。这对用于冲压成形和修整钣金零件的工具钢以及零件的质量提出了更高的要求，需要没有毛刺，并且避免应力集中，从而不会危及所生产零件的使用和寿命。这对用于冲压，成形和修整钣金零件的工模具钢提出了更高的要求。

瑞典高合金工具钢生产商Uddeholms 通过3D打印获得了耐磨损且节约材料的模具。其所用的材料是冷作工具钢，根据3D科学谷的市场了解这种材料最重要的性能是良好的耐磨性，这通常是由淬硬组织中大量碳化物实现的。碳化物的形成是由特定的合金元素驱动的，并由碳含量控制。因此，冷作工具钢牌号是高度合金化的钢牌号，并且碳含量高。

然而高的碳含量使得在尝试使用3D打印生产工模具时会引起问题-根据3D科学谷的市场了解这种材料非常容易在快速凝固过程中开裂。冷作工具钢是不可焊接的材料，另外，在凝固和随后的热处理期间的偏析效应可能导致碳化物的不均匀分布，从而导致较差的磨损性能。

显现激光与电子束加工的巨大差异

因此通过3D打印来生产冷作工具钢就排除了激光熔化金属3D打印技术，Uddeholms 选择了GE 增材制造旗下的Arcam的电子束熔化（EBM）工艺，该工艺虽然仍然很热，但可用于加热（散焦）和熔化（聚焦），这允许在加工期间控制和维持温度以防止裂纹形成的可能性。

此外，EBM是真空工艺，可保护材料和粉末不受污染，从而可以将所需合金的严格化学性能保持在其规格范围内。根据3D科学谷的了解熔化过程中的高凝固速率导致细小且均匀的微观结构，这对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硬质合金© Uddeholms

为了释放EBM电子束金属3D打印技术在冷作工具钢材料加工中的潜力，Uddeholm和GE Additive开发了用于EBM的Uddeholm Vanadis 4 Extra粉末材料，这种材料是一种铬-钼-钒合金钢，最初开发为PM粉末冶金用途（单轴向刚性模具压制成形法），现已进行了修改并适用于EBM工艺。

Uddeholm Vanadis 4 Extra保留了PM版本的材料性能，具有优异的耐磨性和良好的韧性，优于D2等传统的冷作工具钢。通过在EBM处理和后续热处理，Uddeholm发现可以用细分散的碳化钒获得硬化的显微组织，从而提供必要的优异耐磨性能和良好的韧性。

显现电子束加工优势

通过EDM电子束金属3D打印技术加工的Uddeholm Vanadis 4 Extra模具的硬度达到64 HRC，抗压强度为2700 MPa，韧性为20J。经过EBM加工的模具已经在冲压操作中进行了测试，其中模具的磨损性能和所生产零件的质量都与Vanadis 4 Extra PM级非常相似。

3D打印冷作工具的优势与3D打印用于注塑的随形冷却模具的优势不同，3D打印用于注塑的随形冷却模具的主要目的是实现复杂的设计和内置的冷却通道。而一些传统冷作工具的设计，要求进行大范围的机加工，最多可去除75％的材料。对于这些零件，通过3D打印可以大量节省加工时间、材料成本和能源。

3D打印冷作工具的典型好处是减少了所需的材料量–钢铁厂生产冷作工具的材料需要在合适的时间提供合适的材料等级，合适的尺寸和合适的材料，这使采购成为一项棘手的业务。在这种时候，这可能意味着增材制造是传统工模具制造的一种很好的补充方法。这些工模具可以实现相同的性能，而不必花费时间去寻找合适的原材料，占用资金和破坏现金流。