金属3D打印在工具和模具制造中的应用

曾经，较高的碳含量阻碍了金属3D打印在模具钢工件制造上的更多可能性。但如今，通过将基板加热到500摄氏度，这些材料就能以工艺可靠的方式进行打印。

200摄氏度的预热是金属3D打印的工业标准，但这是一种妥协，虽然预热减少了残余应力，但另一方面这使粉末回收更加困难，并需要在打印工作结束时延长冷却时间。据南极熊了解，通快公司的新一代 TruPrint 5000 打印设备（将在TCT Asia展会上展出，展位号H60），就不再需要在较小的残余应力和粉末可回收性之间作出妥协，这台机器从一开始就为500度预热设计和开发，因此即使是H11（1.2343）和H13（1.2344）等高碳类模具钢等材料，它也能提供完美的工艺稳定性，并且残留的粉末可以毫无问题地被回收。预热的工作方式

含碳钢的金属3D打印中，残余应力和变形始终是一个问题，特别是在制造大型、大批量的部件时。特别是，当几何的横截面面积出现大的波动时，就会出现大的温差，从而导致不均匀的散热。部件中的热诱导残余应力有可能会造成变形。在金属3D打印过程中或之后，它就会分层（鼓起后从基板上脱离），有时甚至会出现裂缝。

一个有效的对策是在整个打印过程中保持基板的顶部温度在500摄氏度。一方面，增加的预热温度减少了温度差，另一方面，打印件的屈服强度也降低了，这两个因素的结合意味着，在增材制造过程中，残余应力已经减少。

△图1：与200摄氏度的行业标准相比，500摄氏度的预热可以减少约95%的挠度（在悬臂上测量）通快的研究表明，金属3D打印中500摄氏度的预热比目前200摄氏度预热的行业标准减少了约95%的变形。因此，较低的热应力提高了几何精度，这在打印过程之前和之后都有积极的影响：在设计阶段，许多以前为防止变形、分层和开裂而必须的支撑结构和模拟步骤被取消了。这增加了零件的设计自由度，随后也减少了后期处理的工作量，因为需要拆除的支撑物更少。

△图2：如果一个部件在500摄氏度的预热下进行3D打印，Ti6AI4V部件中的残余应力就会大大降低（上）。这为设计开辟了全新的可能性，特别是在生产体积跳跃的更大规模的部件时。在200摄氏度时，残余应力明显增加（下）。这导致了更高的准备和后处理工作，因为需要更多的模拟和支持设计。

500摄氏度预热的好处适用于所有部件的几何形状。尽管零件中的热量分布因零件的几何形状而异，但通快已在测试中证明，高温加工在所有情况下都有相同的效果。

在工具和模具制造中的应用

使用金属3D打印技术制造工具或模具的许多优点已广为人知 —— 它往往是此类任务的唯一可能的工艺。特别是要集成复杂的冷却水路时，3D打印具有无可比拟的优势。但直到现在，还有一个问题尚需解决 —— 高碳钢的3D打印。因为该材料的耐磨性和可抛光性，让工业界对其备受喜爱。然而，如果H11/H13在预热200摄氏度的情况下进行3D打印，在冷却阶段会形成硬而脆的马氏体，这会导致部件中形成裂缝，因此，这类H11/H13材料的3D打印会让厂家望而却步。

现在，500摄氏度的预热消除了这种限制。较高的基础温度减缓了冷却过程，使其更加平稳，从而防止了不理想的马氏体的形成。显微镜检查显示，3D打印的H11/H13部件的密度高达99.99%。它们在强度和硬度方面也接近于传统生产的H11/H13部件。在抛光性方面也没有区别。

△图3：（左）在1.2343和200摄氏度的预热下出现裂纹；（右）在500摄氏度时无裂纹。在后续步骤中，剩余的小缺陷可以通过退火来纠正。

图4：由注塑公司德国Reinhard Bretthauer GmbH在500摄氏度下打印的H11的高抛光部件。该部件无裂纹，密度超过99.9 %。抛光性也相应很高 —— 与传统生产没有明显的区别。由于集成了冷却水路，在注射成型中稳定地生产塑料部件成为可能，而且周期时间也大大缩短。

更高的设备可用性和粉末回收

更高的预热也意味着更长的冷却阶段，根据3D打印工件的体积不同，冷却时间可能会长达20小时。幸运的是，通快的仓体可更换概念可以防止这些长时间的设备停机 —— 一旦3D打印过程完成，成型仓就被移到一个单独的冷却站，机器可以立即装上一个新的成型仓（如果需要的话，还有一个完整的供粉仓），并不间断地运行下一个打印作业，而之前的成型仓则在外部冷却下来。

成本优化

500摄氏度预热的另一个可能的缺点是粉末的可回收性较差。由于较高的温度会导致更多的氧化，这可能会降低H11粉末的可回收性。通快也能提供成熟有效的对策。

在生产开始前，整个成型仓都被充入氩气。这就创造了一个残余水分少，残余氧气含量非常低的系统氛围，只有几ppm。在使用H11的压缩测试中，化学测试表明，即使经过几个打印周期，粉末的氧含量也与新粉相同：由于氧化程度低，粉末仍然非常自由流动，颗粒不会相互粘连。因此，该粉末可以很容易地从冷却管道中移除，例如，不会留下任何残留物。

结论

500摄氏度预热不仅提高了金属3D打印零件的质量，而且还提高了设计自由度。它还减少了后期处理，完美实现“一次就把事情做对”的高效加工。通过预热，高碳模具钢能被可靠地进行3D打印。尽管在制造工作结束时冷却时间较长，但可更换的仓体设计确保了设备的高可用性，而且回收和粉末的流动性不会因高温处理而有明显改变。

审核编辑：彭静