解析：增材制造在冷作模具领域的应用

金属增材制造正迅速成为塑料注射成型工具制造的一项成熟技术，但是对于冷作模具行业，这些应用的增材制造是否也有市场？

随着对轻量化产品的需求不断增加，越来越多的高级高强度钢板被使用。这对用于冲压、成型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，因此不存在可能危及产品零件使用和寿命的毛刺或应力集中。然而，增材制造技术在这种模具应用中会有什么用处呢？

△用于热作模具的增材制造 (AM) 工具市场正在增长，例如用于高压压铸的模具。（来源：Uddeholm）

使用 GE Additive Arcam 的电子束熔化 (EBM) 工艺为冷作工具钢的增材制造提供了新的可能性。

冷作工具钢最重要的特性是良好的耐磨性。耐磨性通常是通过硬化微观结构内的大量碳化物来实现的。碳化物的形成由特定的合金元素驱动并受碳含量控制。因此，冷作工具钢牌号是高合金钢牌号，碳含量高。

这种高合金含量使冷作工具钢难以在增材制造中进行加工。主要问题是由这些合金在快速凝固过程中的高裂纹敏感性引起的，如在焊接中，这就是为什么冷作工具钢是不可焊接的材料，这使得基于粉末床熔融原理（使用高能束进行熔化）的增材制造技术变得难以实行。此外，凝固和后续热处理过程中的偏析效应会导致碳化物的不均匀分布，这会导致磨损性能变差，应该加以预防。

以上种种问题使得很难加工此类牌号的钢种，尤其是针对基于激光的AM技术。此外，一般需要预热到相当高的温度的钢种牌号也是难以加工的，这对于最常见的激光粉末床AM技术的应用来说可能是一个问题。然而，使用 GE Additive Arcam 的电子束熔化 (EBM) 工艺为冷作工具钢的增材制造提供了新的可能性。

△GE Additive Arcam EBM 生态系统、Spectra H EBM 系统、粉末处理和粉末回收解决方案。（来源：Uddeholm）

EBM是一种热AM工艺，电子束可以具备两种功能，如果它是偏焦的，则用于加热，如果它是聚焦的，则用于熔化。这样就有可能在加工过程中控制和保持一定的温度，以防止裂纹的形成。

此外，EBM是一种真空工艺，为材料和粉末提供保护，防止污染。精确的工艺控制确保了所需合金的化学成分保持在其规格范围内。熔化过程中的高凝固率导致了精细和均匀的微观结构，这对于碳化物的形成和分布都是必要的。

为了释放EBM在冷作工具钢中的潜力，Uddeholm和 GE Additive 开发了 UddeholmVanadis 4 Extra 粉末材料用于EBM打印。UddeholmVanadis 4 Extra Superclean 是铬钼钒合金钢，最初是作为 PM 级开发的，现已改进并适应 EBM 工艺。保留了PM版本的优良材料特性，并兼备优异的耐磨性和良好的韧性，优于 D2一类传统冷作工具钢。

通过在EBM 加工和随后的热处理过程中使用正确的条件，可以获得具有精细分散的碳化钒的硬化微观结构，从而提供优异的耐磨性和良好的韧性。Uddeholm Vanadis 4 Extra的硬度达到64 HRC，抗压强度为2700 MPa，韧性为20J。加工过的EBM 材料也在冲压和压花操作中进行了测试，其中工具的磨损性能和生产零件的质量都与 Vanadis 4Extra PM 级非常相似。

△CP1180 HD 1.5 毫米板材Uddeholm Vanadis 4 Extra 100 000 次注射后冲头磨损的比较。（来源：Uddeholm）

从技术角度来看，增材制造的冷作工具是否至少具有与常规生产的工具一样的性能？有什么好处？由于冷作工具不需要冷却，因此它们不会受益于制造更复杂的设计和冷却通道的可能性。所以好处来自其他地方。

一些工具的设计需要大量机加工，其中多达 75% 的材料将被去除。对于这些零件，使用 AM 可以节省时间、成本和能源。

△V4E的EBM AM工艺的加工路线从CAD模型，粉末和GE Additive EBM系统开始。（来源：Uddeholm）

由于钢厂的材料批次通常相当大，而许多冷作工具相当小，能否在正确的时间提供正确的材料等级、正确的尺寸很棘手。为此，当原材料的供应是一个问题时，增材制造则能成为传统工具制造的一个良好补充。

无需花费时间去寻找合适的原材料、占用资金和破坏现金流，这些工具可以使用与传统工具保有相同的特性进行打印。因此，从技术和财务的角度来看，增材制造肯定有一些冷加工应用的价值。使用AM也将会是一个有趣的选择，并且可以成为具有竞争力的解决方案。

△Uddeholm Vanadis 4 Extra SuperClean是一种铬钼钒合金钢（来源：Uddeholm）