金属3d打印在高压压铸模具上的发展趋势

来源：中铸

不论是模具还是铸件，降成本、短交期方面的需求，可能会前所未见的强烈。同时对质量需求还不会降低，甚至更高。从近两年来特斯拉结构件以及BYD动力总成件的情况来看，一方面，模具寿命普遍短于传统车企，铸件良率普遍低于传统铸件，体现出新部件的生产成熟度还有提高空间；另一方面，车企对高集成度压铸件青睐度与日俱增，即便模具寿命低、产品良率低也照样开发，这与汽车销量是直接相关的。

同样是2000+吨级的模具以缸体为例，就算比亚迪寿命仅5万良率80%，丰田寿命20万良率99%，问题多多的比亚迪模具还是王道，毕竟车卖不出去再高的寿命、再高的良率都没有意义。今朝的新能源抛弃油车，就如同当年70年代全球石油危机时，小排量抛弃大排量、底特律从巅峰跌落至鬼城是极为相似的。也就可以理解为何以汽车产业为支柱的湖北，今年如此的“壮士断腕”。

在此趋势下，目前1.2-2元/g的3D打印模具价格，必然还要下降才能满足市场的需求。粉末公斤价下降到100元级，也就是0.1元/g，50元/H的时机费下每小时打印克重如果在125g以上，打印克价就可能来到0.4元/g，那么打印成本就会与进口粉末钢相当，对外报价也会来到0.8-1元/g这个级别。也就是说在一套模具上花费8-10万就可以收获100kg的3D打印部件。

以一体化结构件模具为例，如果善用这8-10万的3D打印部件，对铸件控砂眼、控热平衡、控粘模，对模具优化水路、优化钻孔加工、优化顶杆布置，这些改进对于一套总价1000-1500万的大模具来讲，可能就不仅仅是比较划算，而是非常物超所值了。

可是要实现如此程度的成本压缩，就需要3D打印行业从业人员的共同努力了。与航空航天等大量依赖国家支撑的行业不同，汽车模具是市场化的大规模制造行业，与其相关的模具正是为数不多的能够让金属3D打印行业真正自己养活自己的点。而要在这个点上养活自己，就必须实现规模化，规模化了才能价格合理化。价格越合理化，原本属于传统模具钢和机加工的市场就会越多的转移到3D打印这里。

我们讲3D打印要“从头越”，根源也就在这里。谁能进一步的下探价格，谁就能更好的跟上汽车行业新能源革命的步伐，谁就能获得更多扩大规模、站稳行业脚跟的机会。这与国内目前3D打印行业更多专注于航空航天能源医疗产业、更多研究工作倾向于钛合金、高温合金的趋势其实是很大程度上相反的。下面我们从粉末和打印设备两个方面深入探讨。

打印粉末
在全国的粉末产能中钛合金、高温合金仍是主力，利润上它们也是主力。钢粉不仅次要，而且用于模具的粉仍不是主流，这就表明实际上钢粉特别是用于模具的钢粉仍会有价格下探的空间。模具钢粉中应用于注塑模具的以CX类时效硬化不锈钢为主，应用于压铸模具的以1.2709类（18Ni300）马氏体时效硬化钢为主。这两类粉之所以被优先引入模具行业是因为打印性能优良，不容易裂，对预热要求低。实际上这两类粉本身就是易焊材的常用料。很多焊补公司的所谓“拿手绝活”，正是基于各种渠道获得的时效钢焊条来实现的。

以1.2709为例，北美一般称为C300，作为传统材料其具有不错的韧性以及显著优于H13的抗回火性能，所以早在70年代人们就知道如果用C300、C250做压铸模具，龟裂寿命往往是H13模具的3倍以上。但是因1.2709材料过于昂贵的价格（动辄1000元/kg以上，主要来自昂贵的冶炼成本）使得它基本不可能被大规模应用到商业模具中。借助3D打印以粉末形式重新来到压铸模具市场后，高Ni高Co的合金成分又阻碍了它粉末成本的进一步下降。

很难降到200元/kg以下，除非赔钱做。2709虽然具有优秀的抗回火能力，但是对于3D打印压铸模具来说，并非是第一性能。这是因为首先3D打印模具不是用来提高寿命的，而是借助随形水路用来实现额外功能的。所以模具需要高导热能力以充分发挥随形水路能力、降低水路设计难度，而2709的热导率仅为H13的三分之二以下。其次，当随形水路设计到位后，模具本身的热负荷降低很多，不需要特别高的抗回火能力也能实现较好的寿命。这也就导致了2709导热能力不足、抗回火能力过剩这种尴尬情况，被市场淘汰基本是注定的。

目前市场上的下一代压铸3D打印粉主要是H13类，包括市场钢各类知名钢材制粉如DAC55、Dievar、W350等等，不一而足。合金成本要比2709等时效钢类更低。从钢材分类上来看这些包括H13在内的材料，都属于二次硬化中温高强钢，经550℃以上回火，适用于500℃下仍需要强度的工作环境。相比于300M等低合金高强钢，它们的5Cr成分使之具有极为出色的淬透性及淬硬性，适应大厚度大截面模具的热处理。

但是3D打印模具至少目前来说显然不是大截面的，所以这部分同样存在性能过剩，这部分完全可以通过降低Cr含量而转移到更优秀的导热性上。并且高淬硬性对3D打印成型过程是不利的，易裂，所以这类粉的打印过程一般要比2709等时效钢要慢一些。下一步的开发方向就是如何进一步提高导热性，如何进一步优化可打印性。

粉末种类经过进一步优化后，结合国内的制粉能力，确实有进一步降低粉末成本的可能。届时粉末种类预计也会在不断的迭代中得到明确和统一。

打印设备
国内厂家在开发大型打印设备方面已经领先世界，传统欧洲品牌EOS、SLM式微已极。得益于国家支撑的航空航天等项目，大型设备打印大型构件，国内诸多厂家已经有了相当丰富的实践经验。从技术难度上讲，大量采用复杂网格结构的钛合金、高温合金部件，比只需要做随形水路的3D打印压铸模具要难得多，钛合金天生的低导热使得它的应力累积相关问题也比钢严重得多，各类品控需求在设备端催生出各类监控需求及相关设备、方法，包括但不限于：

声信号—声学传感器—气孔率、裂纹、铺粉高度；

光信号—高速摄像机、光电二极管—粉末熔凝、熔池形貌、交叉污染；

热信号—热像仪、CCD相机—熔池面积、熔池温度、熔池尺寸/飞溅/冷却速率；

3D打印机的激光源、振镜、风场、程序等等方面已经相当充分的市场化，价格下落很多。涉及品控的上述功能及相关配件、系统，如果是针对特型粉、专一用途例如模具打印的特型机来配套，并且规模化，价格必然是要下探的。也就是讲专机专粉+规模化，必然会将成本进一步下降。3D打印中打印机机时费是粉末之外的最大头，国内包括铂立特、E-Plus在内都推出了10激光的米级通用设备。按每个激光头成型效率15cm3/h计算，10头总共为150cm3/h，一小时约打印1.2kg，专用机不换粉的话机时费目前可到500元/h，相当于克价不到0.42元/g。与上面估算的降低后克价已经很接近了，并且显然如果是特型机的话还有再优化的空间。

所谓特型机就是专门打印模具、或者特定模具部件（镶件、水套、型芯等等）的设备。通用机的设计是要满足打印铝、钛、镍、钢等多种材料、多种部件的需要。所以要多方兼顾、追求通用性。也就必然很难针对专一用途进行优化、降成本。对于模具打印而言，特定的粉末、特定优化的激光、尺寸、基板、刮刀，必然效率要超过通用机，也就会让成本进一步下降，效率进一步提高。

未来趋势
从上面的讨论我们了解到3D打印压铸模具是完全可以进一步降低成本的，甚至我们可能已经远远的看到了追赶传统机加工减材制造的背影。可以想象如果3D打印做模具的总价真的来到0.5元/g，或者说500元/kg这个级别，很多模厂老总们要掏出小本本好好合计下一台设备到底是该投一台NC还是一台3D打印机了。

毕竟当价格下来后，3D打印的灵活性优势会被最大程度的发挥出来。这个所谓的灵活性不光是讲随形水路带走热量这一个层面，而是讲模具的性能有机会被控制、从而实现最大的性价比。大家知道模具失效主要有两种，或早或晚总会发生的必然类失效，比如热龟裂；以及受各类因素影响的偶发类失效，比如开裂漏水掉块。在目前汽车新能源革命的场景下，5万模内必然失效程度可接受/不发生偶发失效的镶件，比50万模必然失效程度可接受/不发生偶发失效的镶件要实际得多，性价比高得多。

因为新车迭代太快，就像智能手机刚出来时一样，很多设计半年后就过时，生产工具过长的寿命并无意义甚至是负担。同样为了多余寿命而支出的多余强度、多余韧性、多余价格、多余交期，对于企业来说都是不利的。3D打印借助于随形水路，可以有机会来调控模具的生产负荷，通过合理设计可以使一款经济合适的粉材及打印工艺满足使用需求，也就不必在这些地方再进行额外的支出，从而为企业降本增效。比如原先一个镶件需要PVD来抗粘铝，现在做一个3D件，粘铝5万模内很ok，那么PVD的成本也就节省了。其他方面亦是如此。