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凭借专为3D打印研发的新型模具钢，以及弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）开发的可扩展成型体积设备，如今首次能够实现大型模具的增材制造——这对大规模压铸模具的批量生产具有重要意义。这项可扩展技术已成功通过验证。

汽车工业正经历深刻变革。成本压力与电动化转型迫使众多制造商重新思考车辆架构与生产流程。当前许多厂商正减少冲压件数量，致力于打造数量更少但结构高度复杂的部件。特别是在铝合金大型构件（如车架或变速箱部件）领域，这对模具提出了更高要求：必须具备优异耐热性、支持变体设计，并能快速适配新几何结构。
这一转型带来新挑战：所需铸模不仅尺寸需超越以往，更要在几何结构复杂化、开发周期缩短的同时保持更高耐久性。弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）联合粉末供应商MacLean-Fogg（L-40材料制造商）以及终端用户丰田汽车，正是针对这一需求启动了专项研究。
通过采用弗劳恩霍夫ILT研发的龙门式可扩展成型体积PBF-LB/M设备，结合MacLean-Fogg专为增材制造开发的模具钢，首次实现了带随形冷却系统的大型压铸模具增材制造——适用于大体积高压压铸（HPDC）部件。据弗劳恩霍夫ILT透露，丰田已投入量产的较小尺寸模具测试数据显示，增材制造模具的使用寿命显著延长。在当前项目中，团队为丰田雅力士混动版变速箱壳体开发了混合式大型模具。这种传统预制件与增材制造结构相结合的技术，可缩短制造周期、降低成本，并能在通用模具平台上实现高度多样化变体生产。

PBF-LB/M技术中大型几何结构曾导致残余应力与临界缺陷

随着大型铸造工艺的普及，对HPDC所用模具的要求也日益提高。模具必须在极高产量下保证精确、可重复的部件质量，同时承受极端机械与热负荷。为确保模具镶件达到足够使用寿命，必须采用传统制造技术无法实现的复杂内部冷却结构。
此前两大核心问题制约着此类大型压铸模具的增材制造：一是传统PBF-LB/M设备成型空间有限，无法一体成型600×600 mm²及以上尺寸的模具镶件；二是现有模具钢（特别是H11、H13或M300）在此尺寸规格下（＞20,000 cm³）无法实现稳定加工。弗劳恩霍夫ILT指出，即使采用最优参数，仍存在开裂、热变形及机械性能不足的风险。
这些问题在激光成型过程及后续热处理中均会出现。制造过程中工件内部温度梯度越大，风险就越高——这种效应在大体积工件中尤为明显。
“要突破这些限制，需要专门针对大型HPDC模具需求的新一代设备与材料，”弗劳恩霍夫ILT的LPBF工艺技术组负责人Niklas Prätzsch解释道，“这正是我们已实现的技术突破所在。”
新材料与设备技术首次实现了带自由造型冷却结构的大型模具制造。这不仅可精准降低铸造过程中的局部峰值温度，还能在保证高寿命的同时提升变体多样性。由此可在单一模具平台上生产不同部件，无需每次都制造新模具。

可扩展LPBF制造实现无裂纹大型部件

为此，弗劳恩霍夫ILT将其研发的龙门式五激光PBF-LB/M设备（当前成型体积1000×800×350 mm³）进行了升级。与传统系统不同，该设备配备可移动加工头与局部保护气体导流系统，在相同工艺边界条件（保护气流速、激光偏转角度等）下，可沿设备轴线线性扩展成型空间。据弗劳恩霍夫研究所展望，该技术未来可制造比本项目更大型的模具镶件（当前项目镶件体积超20,000 cm³，外廓尺寸515×485×206 mm³）。
为最小化大型模具制造中的临界温度梯度，团队还开发了可加热基板模块。基板平台现可达到200°C，使每层新材料无需冷却至室温，仅需降至预定热平衡平台。这种方法有效降低了热诱导应力与制造过程中的开裂风险。大成型空间、高工艺稳定性与主动预热技术的结合，使该系统成为全球首批适用于量产级压铸模具（包括兆级铸造）经济化生产的LPBF设备之一。
“成功的关键在于MacLean-Fogg的L-40材料，它专为PBF-LB/M工艺需求量身定制，”Prätzsch强调。与传统模具钢相比，这种钢材在制造过程及热处理中均表现出显著降低的开裂倾向。L-40在成型态即具备高尺寸稳定性，在硬度（48 HRC）、抗拉强度（1420 MPa）和缺口冲击韧性（＞60 J）方面表现卓越。通过全面测试，新设备架构的参数移植性能及复杂几何结构（如圆形或悬垂冷却通道）中的表现均获成功验证。
总体而言，可扩展PBF-LB/M设备与专用材料的结合，首次实现了带随形冷却系统的大型压铸模具的经济化、可重复制造。初步应用表明，此类模具寿命较传统模具显著延长。

量产模具的混合制造方案

项目合作方为丰田现有变速箱壳体制造了增材模具镶件。该压铸模具镶件包含复杂的随形冷却通道网络——这本身就是增材制造相对于传统切削加工无法实现的显著优势。项目团队选择在预制的带垂直冷却通道基体上进行混合式增材制造。两组件的精确定位与可靠连接对设备校准精度与工艺控制提出极高要求。此类混合结构可进一步缩短制造时间、降低成本，因为成本较高的PBF-LB/M工艺仅用于传统技术无法实现的区域。
研究人员设计的复杂冷却系统，可在压铸过程中对模具关键区域进行有效温控。由此降低热负荷，显著延长模具使用寿命。在先前项目中，类似增材制造模具相比传统H13模具已实现最高四倍寿命提升。
HPDC模具成型后，进行了工业级热处理（去应力退火与淬火）以及功能面的传统铣削加工。增材基体的高尺寸精度仅需精密终加工，无需额外材料补偿。

为汽车工业高效长寿铸模铺平道路

采用增材技术制造大型铸模，可同时应对当前汽车生产（特别是电动化转型背景下的）多项核心挑战。关键优势在于随形冷却系统——通过3D打印首次实现自由设计。冷却通道可完美适配模具高热负荷区域，有效降低局部峰值温度，减少热机械磨损，显著延长模具寿命。
同时，增材制造能大幅缩短交付周期。无需繁琐的多组件加工与装配，采用一体化增材结构即可。丰田压铸模具（含所有准备工序）制造周期不足十天。对主机厂而言，这意味着更短的开发周期与更快的整车平台上市速度。
大型模具混合制造能力创造了额外灵活性。带定义接口的部件可通过增材制造高效扩展与功能优化，无需整体重制。这既降低材料消耗，也减少了单件模具成本。“通过L-40材料，我们致力于突破增材制造在热/冷成型模具（特别是压铸模具）领域的局限。本项目证明制造大型、复杂且高耐久性镶件具有可行性，并为实现经济性提供了明确路径。增材制造已准备好迎接工业级真实挑战。对主机厂而言，这意味着更短开发周期、更长模具寿命与更高设计灵活性的决定性优势，”MacLean-Fogg组件解决方案产品管理总监Harald Lemke表示。
据弗劳恩霍夫研究所分析，对于丰田这类追求更少部件、更复杂结构的汽车制造商，这些发展为模具战略带来新可能：降低模具制造投入、延长使用寿命、实现单模具多变体生产。##已制造的部件有力证明，这套由大型LPBF设备、创新材料与混合制造构成的工艺链，完全满足实际工业应用需求，甚至可适应兆级铸造场景。
该技术潜力远超单一案例：所开发的工艺链不仅适用于大型铝合金HPDC模具镶件，也适用于大多数其他热/冷成型模具及镶件（如冲压、螺纹或注塑镶件）。在所有需要高负荷模具、复杂冷却系统且批量有限的领域，增材制造都能提供显著优势。
来源：弗劳恩霍夫ILT

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