ORNL開發(fā)3D 打印金屬模具，加快汽車大型復(fù)合材料部件量產(chǎn)制造

2025年6月2日，南極熊獲悉，據(jù)美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 稱，與傳統(tǒng)的工具制造方法相比，他們開發(fā)的3D 打印金屬模具為批量生產(chǎn)車輛的大型復(fù)合材料部件的生產(chǎn)提供了一種更快、更具成本效益和更靈活的方法。

這項(xiàng)研究是在 ORNL 的制造示范設(shè)施(MDF) 進(jìn)行的，證實(shí)大規(guī)模增材制造非常適合制造復(fù)雜的金屬模具，制造效率可以加速汽車行業(yè)對(duì)輕質(zhì)復(fù)合材料的采用。

△3D 打印模具安裝在田納西大學(xué)諾克斯維爾分校纖維與復(fù)合材料制造工廠的一臺(tái)Wabash MPI 150噸液壓機(jī)上。圖片來(lái)源：田納西大學(xué)諾克斯維爾分校。

ORNL制造機(jī)器人與控制小組首席研究員AndrzejNycz表示： “這種技術(shù)可以幫助美國(guó)實(shí)現(xiàn)再工業(yè)化，并通過創(chuàng)造更智能、更快捷的制造基本工具的方式提升其競(jìng)爭(zhēng)力。它使我們更接近自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)流程。”

傳統(tǒng)上，金屬工具是通過從大型鍛鋼塊中減材制造的——這一過程會(huì)去除高達(dá) 98% 的原材料，產(chǎn)生大量廢料，并且由于供應(yīng)鏈延遲，通常需要數(shù)月時(shí)間。相比之下，增材制造技術(shù)使用廣泛使用的焊絲作為原料，將廢料減少到 10% 左右。

增材制造還能幫助工程師生產(chǎn)更復(fù)雜的模具幾何形狀，例如內(nèi)部加熱通道，而這些形狀是傳統(tǒng)加工難以實(shí)現(xiàn)的。Nycz說道：“形狀越復(fù)雜，增材制造的價(jià)值就越高。”

研究團(tuán)隊(duì)與 IACMI（復(fù)合材料研究所）的運(yùn)營(yíng)商 Collaborative Composites Solutions (CCS) 合作，對(duì)這一概念進(jìn)行了測(cè)試。他們選擇 3D 打印一個(gè)大型電池外殼模具，并配備復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

林肯電氣增材制造解決方案公司 (Lincoln Electric AdditiveSolutions ) 采用氣體保護(hù)金屬電弧焊 (GMAW) 增材制造工藝，用 ER410 不銹鋼絲打印了兩個(gè)近凈成形模具。GMAW 工藝?yán)�用電弧熔化自耗絲電極，形成金屬層并制造復(fù)雜的部件，同時(shí)使用保護(hù)性屏蔽氣體防止污染。團(tuán)隊(duì)采用了專門的刀具路徑策略，以減輕重量并保持強(qiáng)度。

左側(cè)的下模和上模已完全組裝。圖片來(lái)源：IACMI。

后續(xù)分析證實(shí)輕量化模具滿足結(jié)構(gòu)性能要求，驗(yàn)證了增材制造用于高性能生產(chǎn)工具的可行性。

該項(xiàng)目由美國(guó)能源部先進(jìn)材料與制造技術(shù)辦公室（AMMTO）資助。其他項(xiàng)目參與人員包括復(fù)合材料應(yīng)用組的John Unser、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Peter Wang，以及林肯電氣增材制造解決方案公司的Jason Flamm和Jonathan Paul。

MDF 由 AMMTO 支持，是一個(gè)全國(guó)性的合作者聯(lián)盟，與 ORNL 合作創(chuàng)新、啟發(fā)和催化美國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。