ORNL开发3D 打印金属模具，加快汽车大型复合材料部件量产制造

2025年6月2日，南极熊获悉，据美国能源部橡树岭国家实验室 (ORNL) 称，与传统的工具制造方法相比，他们开发的3D 打印金属模具为批量生产车辆的大型复合材料部件的生产提供了一种更快、更具成本效益和更灵活的方法。

这项研究是在 ORNL 的制造示范设施(MDF) 进行的，证实大规模增材制造非常适合制造复杂的金属模具，制造效率可以加速汽车行业对轻质复合材料的采用。

△3D 打印模具安装在田纳西大学诺克斯维尔分校纤维与复合材料制造工厂的一台Wabash MPI 150吨液压机上。图片来源：田纳西大学诺克斯维尔分校。

ORNL制造机器人与控制小组首席研究员AndrzejNycz表示： “这种技术可以帮助美国实现再工业化，并通过创造更智能、更快捷的制造基本工具的方式提升其竞争力。它使我们更接近自动化、智能化的生产流程。”

传统上，金属工具是通过从大型锻钢块中减材制造的——这一过程会去除高达 98% 的原材料，产生大量废料，并且由于供应链延迟，通常需要数月时间。相比之下，增材制造技术使用广泛使用的焊丝作为原料，将废料减少到 10% 左右。

增材制造还能帮助工程师生产更复杂的模具几何形状，例如内部加热通道，而这些形状是传统加工难以实现的。Nycz说道：“形状越复杂，增材制造的价值就越高。”

研究团队与 IACMI（复合材料研究所）的运营商 Collaborative Composites Solutions (CCS) 合作，对这一概念进行了测试。他们选择 3D 打印一个大型电池外壳模具，并配备复杂的内部结构。

林肯电气增材制造解决方案公司 (Lincoln Electric AdditiveSolutions ) 采用气体保护金属电弧焊 (GMAW) 增材制造工艺，用 ER410 不锈钢丝打印了两个近净成形模具。GMAW 工艺利用电弧熔化自耗丝电极，形成金属层并制造复杂的部件，同时使用保护性屏蔽气体防止污染。团队采用了专门的刀具路径策略，以减轻重量并保持强度。

左侧的下模和上模已完全组装。图片来源：IACMI。

后续分析证实轻量化模具满足结构性能要求，验证了增材制造用于高性能生产工具的可行性。

该项目由美国能源部先进材料与制造技术办公室（AMMTO）资助。其他项目参与人员包括复合材料应用组的John Unser、橡树岭国家实验室的Peter Wang，以及林肯电气增材制造解决方案公司的Jason Flamm和Jonathan Paul。

MDF 由 AMMTO 支持，是一个全国性的合作者联盟，与 ORNL 合作创新、启发和催化美国制造业的转型。