先進(jìn)增材制造技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

陳 瀧 ,張紀(jì)奎 ,曹 苗 ,梅碧舟 ,齊士杰 ,謝重陽 ,鄧益民

（1.北京航空航天大學(xué) 寧波創(chuàng)新研究院,浙江 寧波 315800;2.西北工業(yè)大學(xué) 寧波研究院,浙江 寧波 315103;3.浙江易鍛精密機(jī)械有限公司,浙江 寧波 315700;4.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211）

中國是模具制造大國,2022 年模具行業(yè)市場規(guī)模已達(dá)3 429.39 億元,模具年產(chǎn)量高達(dá)2 524.45 萬套[1].但目前我國大型、精密、復(fù)雜、長壽命的高品質(zhì)模具自給率僅為30%左右,絕大部分仍然依賴進(jìn)口[2].從技術(shù)角度分析,其原因是國產(chǎn)模具鋼的材料性能、熱處理工藝與國外相比還存在差距,而根本原因是我國現(xiàn)代化工業(yè)起步晚,先入場的西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)完成傳統(tǒng)制造業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的多次迭代和市場壟斷,使后來者難以追趕.而增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing,AM)[3]作為近年來快速發(fā)展的先進(jìn)近凈成形技術(shù),能夠在實(shí)現(xiàn)形狀控制的同時(shí),對組織和成分進(jìn)行精細(xì)調(diào)控,將徹底改變工業(yè)革命以來形成的物體和復(fù)雜系統(tǒng)的制造或組裝方式,是我國高端制造業(yè)對國外發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)彎道超車的絕佳機(jī)會(huì).

早在20 世紀(jì)80 年代,美、日、法等國科技人員就開始對增材制造技術(shù)進(jìn)行了探索[4],我國科學(xué)家緊隨其后,從1990 年開始對增材制造技術(shù)開展了基礎(chǔ)性研究[5].經(jīng)過40 多年發(fā)展,目前增材制造技術(shù)已形成規(guī)范的技術(shù)體系,根據(jù)(GB/T 35351—2017)增材制造標(biāo)準(zhǔn)可分為7 類工藝: 黏結(jié)劑噴射、定向能量沉積、材料擠出、材料噴射、粉末床熔合、薄材疊層以及光聚合/立體光固化.通過增材制造方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、高性能零件的批量化、無模快速制造是發(fā)展增材制造技術(shù)的最終目標(biāo).但由于目前我國增材制造技術(shù)還不成熟、產(chǎn)業(yè)鏈不完善,導(dǎo)致增材件的生產(chǎn)效率較低、成本居高不下,因此多用于少數(shù)高端制造領(lǐng)域中高性能、特殊結(jié)構(gòu)零件的小批量制造,尚無法替代模具成形技術(shù)面向民用產(chǎn)品的批量化制造.故在目前階段,將先進(jìn)增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)模具技術(shù)相結(jié)合,以縮短模具研發(fā)周期、降低模具開發(fā)成本、提高成形件形性質(zhì)量,是符合目前制造業(yè)發(fā)展背景的最佳手段.

目前,增材制造技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用主要包括: (1)模具快速原型制造;(2)高性能模具零件制造.其中應(yīng)用較多的增材技術(shù)為噴射粘結(jié)成形(Binder Jetting,BJ),選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS),選擇性激光熔化(Selective laser melting,SLM)和光固化成形(Stereo Lithography Appearance,SLA).

1 模具行業(yè)常用的增材制造技術(shù)

1.1 噴射粘結(jié)成形

噴射粘結(jié)成形技術(shù)于1993 年由美國麻省理工學(xué)院提出[6],其基本原理是將粘結(jié)劑以液滴的形式噴射至特定區(qū)域,使該區(qū)域的粉末粘合,通過粉末床實(shí)現(xiàn)層層疊加制造出所需的三維結(jié)構(gòu).打印完成后的零件經(jīng)過固化、清粉和后處理,即可獲得所需構(gòu)件[7],其工藝原理如圖1 所示[8].噴射粘結(jié)成形可以用于高分子材料、金屬、砂粒、陶瓷等材料零件的增材制造,成形效率高,但成形件的機(jī)械性能較弱,需要通過后續(xù)固化、燒結(jié)、浸潤以及其他表面處理工序?qū)崿F(xiàn)性能強(qiáng)化.

圖1 噴射粘結(jié)成形技術(shù)原理圖[8]

1.2 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)最早由Deckard[9]在1986年提出,是一種基于粉末床的增材制造技術(shù).利用粉末狀材料(如塑料粉、蠟粉、金屬粉及其復(fù)合粉末等)在激光照射下燒結(jié),控制激光束逐層掃描,并通過層層疊加得到所需的零件[10],其技術(shù)原理如圖2 所示[11].SLS 技術(shù)可使用材料廣泛,理論上凡經(jīng)激光加熱后能在粉末顆粒間形成連接的材料都可以作為SLS 成形材料,具有自支撐性,能夠制造任意復(fù)雜的形體,因僅是燒結(jié)粉末,故成形效率較高.但是SLS 技術(shù)的原材料和設(shè)備價(jià)格都較高,導(dǎo)致零件制造成本居高不下.SLS 成形件的孔隙度高、機(jī)械性能弱,特別是延伸率很低,很少能夠直接應(yīng)用于金屬功能零件的制造.SLS 可以用于制造零件模樣、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等.

圖2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)原理圖[11]

1.3 選擇性激光熔化

選擇性激光熔化技術(shù)是由德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer ILT)于1996 年研發(fā)成功[12],其成形原理與SLS相似,但專用于金屬粉末成形.通過金屬粉末在高能量密度激光束下的熔化、冷卻凝固以達(dá)到冶金結(jié)合的效果,經(jīng)過逐層堆積后得到金屬零件.激光選區(qū)熔化技術(shù)可廣泛用于金屬合金,且能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的高精度、高性能、無模、快速、近凈成形,是傳統(tǒng)制造方法的絕佳替代技術(shù)[13].盡管激光選區(qū)熔化技術(shù)極具潛力,但由于生產(chǎn)成本高,目前僅在航空航天等部分高端制造領(lǐng)域得到批量化應(yīng)用,在模具行業(yè)主要用于少量性能要求高的零件增材制造,如帶隨形水路的模具鑲塊等.

1.4 光固化成形

光固化成形技術(shù)由Hull[14]在1986 年提出,其原理是利用液態(tài)光敏樹脂在一定波長紫外激光束(250～400 nm)照射下會(huì)引起聚合反應(yīng)并快速固化的特性層層疊加,以獲得三維零件[15],該工藝和設(shè)備的原理如圖3所示[16].光固化成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高表面精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的制備.目前主要將其與熔模精密鑄造工藝相結(jié)合,采用光固化技術(shù)制備熔模精密鑄造所需的熔模和型殼(芯)等,可以極大縮短產(chǎn)品的制備周期.

圖3 光固化成形技術(shù)和設(shè)備原理圖[16]

2 增材制造實(shí)現(xiàn)模具的快速原型制造

模具是利用自身型腔將原材料成形為特定形狀尺寸制件的工具,所以制造模具的最初目的是提供一個(gè)滿足以下功能需求的型腔: (1)保證模具型腔與成形件的形狀尺寸相匹配;(2)保證模具型腔在成形過程中不會(huì)劇烈變形乃至破壞.傳統(tǒng)模具型腔的制造方法有直接成形和間接成形2 種(圖4),具體選擇取決于成形件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和形性質(zhì)量要求.

圖4 傳統(tǒng)模腔制造技術(shù)和增材制造工藝的結(jié)合

直接成形模腔一般是指通過減材制造方法,如機(jī)加工、特種加工等,將毛坯材料制成模具各零部件再進(jìn)行裝配,形成完整的模具型腔.雖然通過該方法能獲得良好的模具形位尺寸精度和表面質(zhì)量,且能通過選用不同模具材料獲得相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度、硬度和使用壽命,但這種制模方式存在柔性差、費(fèi)用高、周期長等缺陷,無法滿足現(xiàn)代市場對新產(chǎn)品的快速迭代需求.

間接成形模腔首先需要制造零件模樣,以其外形為支撐,通過浸渡、噴涂等不同方法快速得到形狀完整,但結(jié)構(gòu)脆弱的型腔殼體,然后去除零件模樣,并經(jīng)后處理方法加固模具型腔.該方法雖然可以制造復(fù)雜程度很高的模具型腔,但存在生產(chǎn)工序多、所得模具精度低、性能弱、壽命短等缺陷.而增材制造技術(shù)可以介入上述模腔制造過程中的不同階段,以達(dá)到減少生產(chǎn)工序、提高生產(chǎn)效率的目的,這在砂型鑄造、熔模鑄造、注塑和壓鑄等模具中都得到了應(yīng)用[2,17-18].

2.1 砂型鑄造模具

砂型鑄造是指在砂制模腔中生產(chǎn)零件的鑄造方法,可生產(chǎn)鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件.因價(jià)格低廉,是大型鑄件批量生產(chǎn)的首選方案之一.傳統(tǒng)砂型鑄造的工藝流程如圖5 所示,需要制備零件模樣和芯盒模具才能完成砂型和砂芯的制造,這在工藝驗(yàn)證與批量生產(chǎn)中會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi).而通過增材技術(shù)直接制造砂型(芯)可以縮減生產(chǎn)工序、提高生產(chǎn)效率.

圖5 砂型鑄造工藝流程

2.1.1 噴射粘結(jié)成形砂型(芯)工藝

選擇合適的砂粒、粘結(jié)劑和固化劑,利用噴射粘結(jié)成形技術(shù)將砂粒粘結(jié)成砂型(芯),并組裝為鑄型,用于后續(xù)金屬液澆注成形.目前噴射粘結(jié)成形砂型的主要材料有各種硅砂、鋯砂等,粘結(jié)劑主要為呋喃樹脂、酚醛樹脂和無機(jī)粘結(jié)劑等[19].相比傳統(tǒng)砂型鑄造,噴射粘結(jié)成形技術(shù)在制備砂型(芯)過程中具有明顯的優(yōu)越性[20-21],可制備形狀復(fù)雜的砂型模具(圖6).目前砂型的噴射粘結(jié)成形技術(shù)發(fā)展已較為成熟,國內(nèi)有華中科技大學(xué)[22]、太原理工大學(xué)[23]、中國機(jī)械科學(xué)研究總院[24]、先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[25],國外有法國國立高等工藝學(xué)院[26]等單位的相關(guān)學(xué)者對砂型的噴射粘結(jié)成形工藝進(jìn)行研究,分析了影響成形砂型(芯)外形尺寸偏差、表面質(zhì)量和力學(xué)性能的主要因素及其機(jī)理,并通過工藝優(yōu)化提升砂型(芯)的形性質(zhì)量.

圖6 噴射粘結(jié)成形砂型[21]

2.1.2 激光選區(qū)燒結(jié)覆膜砂

以覆膜砂作為燒結(jié)材料,通過激光選區(qū)燒結(jié)法可直接成形鑄造用型(芯),與傳統(tǒng)砂型鑄造方法相比,簡化了流程、節(jié)省了設(shè)備成本.20 世紀(jì)90 年代,德國EOS 公司和中國華中科技大學(xué)[27]的相關(guān)研究人員對激光燒結(jié)覆膜砂的相關(guān)工藝進(jìn)行了探索,發(fā)現(xiàn)激光功率、激光光斑尺寸、掃描速度、砂的預(yù)熱溫度、層厚等工藝參數(shù)是影響激光選區(qū)燒結(jié)覆膜砂成形性能的關(guān)鍵因素.國內(nèi)的高校,如華中科技大學(xué)、南昌航空大學(xué)、中北大學(xué)等主要進(jìn)行新型覆膜砂研發(fā)[28-30]和激光燒結(jié)工藝[31-32]研究,以獲得更優(yōu)的燒結(jié)件形性質(zhì)量.廣西大學(xué)的研究人員采用自研的高性能覆膜砂,通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)僅用10 多天的時(shí)間就完成了KJ100 型氣缸蓋全套覆膜砂芯的制備(圖7(a)和(b)),而傳統(tǒng)方法的生產(chǎn)周期需要5 個(gè)月,可見效率提升極為顯著[33].華中科技大學(xué)的研究人員提出運(yùn)用覆膜砂3D 打印造型結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝的方法,制造具有隨形冷卻水道的熱沖壓模具(圖7(c)),能夠顯著提高冷卻性能[34].新加坡國立大學(xué)的研究人員研究了激光燒結(jié)工藝參數(shù)對燒結(jié)件精度、強(qiáng)度和表面光潔度的影響,揭示了粉末狀砂在激光燒結(jié)過程中的固化機(jī)理,并獲得了最佳的燒結(jié)工藝參數(shù)[35].

圖7 激光選區(qū)燒結(jié)覆膜砂方法制備零件[33-34]

2.2 熔模鑄造模具

熔模精密鑄造工藝源于傳統(tǒng)的失蠟法,其關(guān)鍵在于制備出匹配成形件外形尺寸的陶瓷型芯、型殼,而傳統(tǒng)的陶瓷型(芯)制造工序繁瑣[36],如圖8所示.熔模精密鑄造在零件復(fù)雜性和材料適應(yīng)性方面具有較大的優(yōu)勢,但其柔性較差、生產(chǎn)周期長、工藝環(huán)節(jié)多,鑄件結(jié)構(gòu)和尺寸的改變往往直接影響鑄型(包括鑄模和型芯)的設(shè)計(jì)、制造、裝配等過程,從而產(chǎn)生巨大的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本.特別是應(yīng)用于高熔點(diǎn)金屬(如鈦金屬、鎳基高溫合金等)零件(如高溫渦輪葉片、大型整體機(jī)匣等)精密鑄造的陶瓷鑄型,通過“傳統(tǒng)制造簡單鑄型+機(jī)加工精細(xì)結(jié)構(gòu)”的方法存在難度大、周期長、成本高的缺陷,難以滿足現(xiàn)代航空工業(yè)的需求[37-38].故引入增材制造技術(shù)制造模樣或鑄型,可極大提高熔模精密鑄造的柔性,加速鑄件的生產(chǎn)研制過程,滿足新產(chǎn)品試制和小批量生產(chǎn)任務(wù)的快速響應(yīng)需求.

圖8 熔模鑄造工藝流程

2.2.1 模樣的增材制造

將易熔材料通過增材制造技術(shù)直接成形為零件模樣,可替代原有較為繁瑣的模樣制備工序,在一定程度上縮短鑄型的制備周期.目前主要方法有激光選區(qū)燒結(jié)成形和光固化成形方法.

(1)激光選區(qū)燒結(jié)成形模樣.早在20 世紀(jì)90 年代,美國DTM 等公司,國內(nèi)北京隆源公司、華中理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等已將SLS 技術(shù)應(yīng)用于熔模精密鑄造[39-40].聚碳酸脂(Polycarbonate,PC)具有良好的激光燒結(jié)性能,且燒結(jié)后具有較高強(qiáng)度,是最早用于SLS 制備模樣的材料.但PC 熔點(diǎn)高、流動(dòng)性不佳,國內(nèi)外相關(guān)研究者對聚碳酸脂的替代材料,如聚苯乙烯(Polystyrene,PS)[41]與高抗沖聚苯乙烯(High Impact Polystyrene,HIPS)[42-43]進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)可以制備出具有良好尺寸精度和力學(xué)性能的燒結(jié)件(圖9).此外,通過環(huán)氧樹脂浸漬[43-44]或蠟滲[45-46](圖10)后處理,可以進(jìn)一步提高激光燒結(jié)零件的機(jī)械性能.

圖10 采用高抗沖聚苯乙烯SLS 制備熔模并蠟滲強(qiáng)化鑄件[45]

(2)光固化成形模樣.以光敏樹脂為主要材料,在特定光源照射下固化成為零件模樣,用于后續(xù)型殼制備.但采用光敏樹脂所制造的零件模樣因其熱膨脹系數(shù)較大,外裹型殼在焙燒過程中易出現(xiàn)脹裂現(xiàn)象,這是在熔模精密鑄造領(lǐng)域應(yīng)用光固化成形技術(shù)需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[47].宗學(xué)文等[48-49]對光固化樹脂熔模與型殼材料在高溫?zé)Y(jié)過程中的熱變形機(jī)理和型殼開裂條件進(jìn)行了研究,并采用光固化成形工藝制得葉輪鑄件的熔模,相比傳統(tǒng)鑄造技術(shù)可以降低2/3 的技術(shù)成本和4/5 的時(shí)間成本.姜耀林等[50]以閉式離心泵葉輪為研究對象,通過光固化技術(shù)制造葉輪及其澆注系統(tǒng)整體樹脂熔模,并進(jìn)行熔模精密鑄造,成功制得閉式離心泵葉輪金屬鑄件.除了通過增材制造技術(shù)直接成形模樣外,以增材制造方法制備內(nèi)帶冷卻流道的蠟?zāi)Ｒ彩翘岣呦災(zāi)３尚钨|(zhì)量和效率的一種方法[51].

無論采用何種增材工藝制備零件模樣,其目的都是為了獲得優(yōu)質(zhì)的陶瓷鑄型.故提高模樣的外形尺寸精度和表面光潔度,以及約束模樣在鑄型制造過程中外形尺寸變化是關(guān)鍵,也是零件模樣增材制造技術(shù)未來發(fā)展所要關(guān)注的重點(diǎn).

2.2.2 陶瓷型(芯)的增材制造方法

陶瓷型(芯)是熔模鑄造工藝中的關(guān)鍵部件,其外形尺寸精度和型腔面粗糙度將直接決定鑄件的外形質(zhì)量.利用增材制造技術(shù)對陶瓷型(芯)進(jìn)行高質(zhì)量制造,可以解決傳統(tǒng)加工成形手段難以成形復(fù)雜精細(xì)陶瓷結(jié)構(gòu)的難題[37].陶瓷增材制造技術(shù)在國外的初步應(yīng)用約出現(xiàn)在1990 年,而國內(nèi)主要受制于專業(yè)陶瓷打印設(shè)備以及打印材料的成本,起步較晚.目前陶瓷型(芯)的主要增材工藝有光固化成形、噴射粘結(jié)成形和激光選區(qū)燒結(jié)成形,所用材料以氧化硅、氧化鋁及其復(fù)合材料為主.

(1)光固化直接成形陶瓷型(芯).使用激光固化光敏陶瓷漿料(光敏樹脂+陶瓷粉體+添加劑)成形陶瓷坯體,經(jīng)脫脂、燒結(jié)后獲得陶瓷型(芯),能極大縮短制備周期.1996 年,由Griffith 等[52]率先通過光固化技術(shù)直接成形致密陶瓷坯體.光敏陶瓷漿料的成分是影響成形陶瓷型(芯)質(zhì)量的關(guān)鍵因素,華中科技大學(xué)[53]、西北工業(yè)大學(xué)[54]、中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[55]的相關(guān)研究人員均對其進(jìn)行了研究.陶瓷型(芯)的漿料應(yīng)具備高固相含量、良好的流動(dòng)性、低黏度以保證光固化3D 打印過程中漿料良好的鋪展性和型芯素坯固化后有足夠的強(qiáng)度[56].陶瓷坯體成形后的脫脂過程主要用于去除固化的光敏樹脂等粘結(jié)劑,而燒結(jié)過程促進(jìn)陶瓷顆粒的長大,脫脂→燒結(jié)工藝過程的良好設(shè)計(jì)能制備性能優(yōu)異的陶瓷型芯,已有相關(guān)學(xué)者[57-58]對其進(jìn)行了研究.光固化技術(shù)具有高分辨率和高效率優(yōu)勢,打印的陶瓷型(芯)有很高的表面光潔度,但受限于光源,可打印的陶瓷材料有限.

(2)光固化間接成形陶瓷型(芯).首先采用光固化技術(shù)制備樹脂模,再將陶瓷漿料注入樹脂模中經(jīng)固化、燒結(jié)后得到可用于澆注的陶瓷型(芯).該過程中,陶瓷漿料在固化和燒結(jié)過程中的體積變化是影響最終陶瓷型(芯)尺寸精度的關(guān)鍵因素.西安交通大學(xué)李滌塵團(tuán)隊(duì)通過添加氧化鎂粉末和研發(fā)新的燒結(jié)工藝控制了陶瓷芯的燒結(jié)收縮[59];同時(shí)對光固化成形模樣融化過程進(jìn)行熱力學(xué)分析,揭示了渦輪葉片陶瓷殼體破裂的原因,并提出了加入聚酰亞胺提高強(qiáng)度以防止殼體開裂的方法[60].基于上述研究和光固化間接成形原理,該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一體化陶瓷鑄型的型芯型殼定制方法(圖11),以此制備空心渦輪葉片[61].此外,李滌塵團(tuán)隊(duì)還研究了熔模鑄造光固化和非水基凝膠注模成形技術(shù),分析了叔丁醇基氧化鈣漿料的流變性能及凝膠參數(shù)對凝膠時(shí)間和凝膠強(qiáng)度的影響,制備了一種高性能CaO 基整體陶瓷模具[62].

圖11 SLA 制備樹脂模具注射-燒結(jié)陶瓷型芯[60]

(3)噴射粘結(jié)成形陶瓷型(芯).麻省理工學(xué)院的Sachs 等[63]早在1990 年就采用噴射粘結(jié)成形技術(shù)制備出氧化鋁陶瓷型殼(芯).在粘結(jié)劑噴射過程中液態(tài)粘結(jié)劑噴出后會(huì)發(fā)生滲透現(xiàn)象,產(chǎn)生的誤差會(huì)影響打印精度.而粘結(jié)劑的組成成分對陶瓷型芯的尺寸精度、表面粗糙度、抗彎強(qiáng)度等形性質(zhì)量影響顯著,通過噴射無機(jī)粘結(jié)劑[64-65]可以使陶瓷型(芯)在燒結(jié)后產(chǎn)生較高強(qiáng)度與較低收縮.故通過優(yōu)化打印工藝減小滲透誤差[66]、改善粘結(jié)劑體系與顆粒級配,并對陶瓷粉末進(jìn)行改性,可以有效提高型芯的綜合性能.

(4)激光選區(qū)燒結(jié)成形陶瓷型(芯).由于陶瓷材料的成形溫度較高,目前激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備無法在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)陶瓷粉體顆粒的熔融粘接,故采取間接成形陶瓷型(芯)方法.通過激光選區(qū)燒結(jié)熔化陶瓷粉末表面的粘結(jié)劑,促使陶瓷粉末顆粒間粘結(jié)形成坯體,進(jìn)行后續(xù)脫脂、燒結(jié)后制得所需陶瓷型殼(芯).故激光選區(qū)燒結(jié)的陶瓷粉末一般需要表面包覆熱塑性、熱固性粘結(jié)劑,或者要求粉末顆粒加熱后具有能相互粘結(jié)的性能[67].華中科技大學(xué)的Zhang 等[68]通過研究發(fā)現(xiàn),合理的顆粒級配(粗粉混合適量細(xì)粉)能有效提高選擇性激光燒結(jié)二氧化硅陶瓷的力學(xué)性能,抗彎強(qiáng)度可達(dá)7.15 MPa;此外粘結(jié)劑的種類、引入方式以及加入量對于成形精度和強(qiáng)度有著重要影響.韓國的Kim 等[69]分別采用粘結(jié)劑噴射成形和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)配合不同的粉末材料進(jìn)行葉輪葉片用陶瓷芯的增材制造,采用莫來石粉體+酚醛樹脂+選擇性激光燒結(jié)方法制成的陶瓷芯強(qiáng)度更高、熱膨脹系數(shù)更小,更適用于精密鑄造.總之,通過選擇性激光燒結(jié)方法制備的陶瓷型芯致密度較低、力學(xué)性能較弱,但是可以通過浸漬強(qiáng)化處理以提升性能.此外,通過減小晶粒尺寸和改變陶瓷材料的成分和結(jié)構(gòu),進(jìn)一步改善激光功率和掃描間距,有助于提高陶瓷材料的強(qiáng)韌性能.

綜上可知,制備陶瓷型(芯)的不同增材制造技術(shù)各有特點(diǎn),增材制造的型芯性能還弱于傳統(tǒng)鑄造方法,如硬度、耐磨性等.因此,如何提升型芯的綜合性能,是增材制造中重要的研究方向之一.目前解決方案主要包括以下5 種: (1)優(yōu)化制造參數(shù)[70],調(diào)整噴嘴直徑、噴嘴溫度、層厚等,可以改變制造過程中的熔體流動(dòng)速度和溫度梯度等因素,從而影響型芯的性能.(2)優(yōu)化材料特性[71],添加碳納米管、陶瓷等納米顆粒,可以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、硬度、磨損性能等.(3)改進(jìn)后處理工藝[72],采用熱處理、表面處理等方法,可以改變材料的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌等因素,提高其機(jī)械性能、耐磨性等.(4)協(xié)同設(shè)計(jì)[73],優(yōu)化型芯的形狀和結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)參數(shù),以提高其綜合性能,如采用多梯度結(jié)構(gòu)、異種材料復(fù)合等設(shè)計(jì)方案,可以針對具體應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化.(5)智能制造[74],可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、數(shù)字化控制,提高型芯的一致性和穩(wěn)定性,從而進(jìn)一步提高其綜合性能.

3 高性能模具零件的增材制造

增材制造技術(shù)在高性能模具零件制造方面具有諸多應(yīng)用[75].首先,增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高度定制化的設(shè)計(jì).傳統(tǒng)的模具制造通常需要進(jìn)行復(fù)雜的加工和組裝過程,而增材制造技術(shù)可以直接將設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)化為實(shí)體,實(shí)現(xiàn)快速、精確的制造過程,這使得設(shè)計(jì)師能夠更靈活地調(diào)整模具的形狀、結(jié)構(gòu)和功能,以滿足不同行業(yè)和產(chǎn)品的需求.其次,增材制造技術(shù)可以制造復(fù)雜形狀的模具零件.傳統(tǒng)的制造方法可能無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的模具零件制造,而增材制造技術(shù)可以通過逐層堆積材料的方式制造出具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的零件,這為模具設(shè)計(jì)帶來了更大的自由度,可以實(shí)現(xiàn)更高效的功能整合和優(yōu)化設(shè)計(jì).第三,增材制造技術(shù)可以提高模具零件的性能和耐用性.通過增材制造,可以選擇適合特定應(yīng)用的高性能材料,如金屬合金、陶瓷等,以提高模具零件的強(qiáng)度、硬度和耐磨性.此外,增材制造還可以實(shí)現(xiàn)材料的局部調(diào)控,例如調(diào)整材料的組織結(jié)構(gòu)和晶粒大小,從而進(jìn)一步提高模具零件的性能.第四,增材制造技術(shù)可以減少制造周期和成本.傳統(tǒng)的模具制造通常需要進(jìn)行多個(gè)加工步驟和組裝過程,而增材制造技術(shù)可以將這些步驟簡化為一個(gè)連續(xù)的制造過程,這不僅減少了制造周期,還降低了人工和設(shè)備成本.此外,增材制造還可以減少材料的浪費(fèi),提高資源利用率.最后,增材制造技術(shù)可以促進(jìn)模具制造的可持續(xù)發(fā)展.由于增材制造可以實(shí)現(xiàn)精確的材料控制和定制化設(shè)計(jì),因此可以減少能源消耗和環(huán)境污染.此外,增材制造還可以實(shí)現(xiàn)模具零件的修復(fù)和再制造,延長其使用壽命,減少廢棄物的產(chǎn)生.

增材制造技術(shù)可以制造具有結(jié)構(gòu)功能一體化、輕質(zhì)且超高強(qiáng)韌、耐極端工況或超強(qiáng)散熱能力的新型結(jié)構(gòu),為高性能零件的制造提供新的解決方案.但是目前高性能零件增材制造的成本居高不下,對于模具等體積較大的產(chǎn)品進(jìn)行整體高性能增材制造將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)成本.因此,以傳統(tǒng)制造方法為主制造模具主體、以高性能增材制造技術(shù)為輔制造局部特殊的功能鑲塊,能用較低成本實(shí)現(xiàn)模具性能的顯著提升,是目前模具行業(yè)采用的主流方法.

3.1 帶隨形流道冷卻鑲塊的增材制造

在注塑和壓鑄過程中,模具溫度對成形件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率有重要的影響.模具型腔的冷卻均勻性直接影響成形件的熱殘余應(yīng)力,而熱殘余應(yīng)力是產(chǎn)品變形的重要原因.模具型腔的冷卻強(qiáng)度直接影響成形件的冷卻時(shí)間,進(jìn)而影響整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和生產(chǎn)效率.因此,提升模具型腔的冷卻性能,包括冷卻強(qiáng)度和均勻性,是提升注塑件和壓鑄件產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品生產(chǎn)率的關(guān)鍵.

模具型腔的冷卻性能主要取決于模具材料熱導(dǎo)率和模具內(nèi)部冷卻流道方案設(shè)計(jì).美國麻省理工學(xué)院的Sachs 教授早在1997 年就提出了模具隨形冷卻技術(shù)的概念,認(rèn)為與部件輪廓一致的冷卻流道是控制注塑模具溫度的最佳解決方案(http://www.simmtime.com/news_en.htm?dId=1114).然而,受當(dāng)時(shí)制造工藝的限制,隨形冷卻帶來的模具制造復(fù)雜度和難度,使大部分模具制造商都對其望而卻步.注塑和壓鑄模具中較為主流的冷卻流道方案是由直通式管道互聯(lián)形成的管道網(wǎng)(用于整體冷卻)輔以冷卻銷(用于點(diǎn)冷卻)構(gòu)成(圖12).該冷卻流道設(shè)計(jì)方法可以解決絕大部分壓鑄和注塑零件的冷卻問題,但該方法的冷卻效果較為粗糙,且對設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高,經(jīng)常會(huì)由于局部冷卻不足而產(chǎn)生過熱點(diǎn),導(dǎo)致模具返修,難以滿足現(xiàn)代模具工業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)量和高效率要求.

圖12 目前壓鑄和注塑行業(yè)主要采用的冷卻流道方案

對于如圖13(a)所示的異型零件[76],難以采用“橫平豎直”的冷卻流道獲得滿意的冷卻效果,而采用增材制造方法,實(shí)現(xiàn)模具型面+內(nèi)部隨形流道的一體成形是獲得模具良好冷卻性能的有效手段.

圖13 壓鑄模具冷卻管道的增材制造應(yīng)用[76]

3.1.1 帶隨形流道冷卻鑲塊的增材制造設(shè)計(jì)

增材制造工藝在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的獨(dú)特優(yōu)勢為模具內(nèi)部冷卻流道的設(shè)計(jì)提供了極大的設(shè)計(jì)自由度,使得冷卻模具的設(shè)計(jì)與制造擺脫了交叉鉆孔的限制,可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部流道更靠近模具冷卻表面的隨形冷卻流道設(shè)計(jì).同時(shí),流道可以具有平滑過渡轉(zhuǎn)角,能減小冷卻介質(zhì)的流動(dòng)阻力、增加對流換熱效率.設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)冷卻性能要求設(shè)計(jì)不同的冷卻流道方案,以促進(jìn)冷卻的均勻性.強(qiáng)大的設(shè)計(jì)自由度帶來無限可能的設(shè)計(jì)方案,但為提高冷卻流道設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,需要建立系統(tǒng)性的隨形冷卻流道增材制造設(shè)計(jì)方法.

基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)范式的隨形冷卻流道設(shè)計(jì)流程包括: (1)綜合考慮模腔形狀、熱源位置、冷卻性能要求和管道流阻等因素,確定冷卻流道的布局并進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)計(jì).(2)建立數(shù)值模型,并通過模流分析軟件來驗(yàn)證預(yù)設(shè)計(jì)方案的冷卻效果.(3)根據(jù)仿真所得溫度場數(shù)據(jù)分析冷卻流道的設(shè)計(jì)缺陷,并對其進(jìn)行優(yōu)化.(4)反復(fù)迭代獲得滿意的模具冷卻效果.雖然通過該方法必能獲得合適的模具隨形流道設(shè)計(jì)方案,但是會(huì)產(chǎn)生較高的時(shí)間成本,因此需要研發(fā)更為自動(dòng)化和智能化的冷卻流道設(shè)計(jì)方法.文獻(xiàn)[77]提出了一種隨形冷卻流道的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法(圖14),在確定流道出入口、頂針孔和鑲件孔等避讓位置基礎(chǔ)上,通過制定合理路徑延伸規(guī)則和尺寸約束范圍實(shí)現(xiàn)冷卻流道的自適應(yīng)設(shè)計(jì).經(jīng)過流道結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整和仿真評價(jià),獲得最優(yōu)冷卻流道設(shè)計(jì)方案.

圖14 隨形冷卻流道的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法[77]

3.1.2 帶隨形流道冷卻鑲塊的增材制造方法

在現(xiàn)有增材制造工藝中,選擇性激光熔化、電子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)和激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)都可用來制造高性能模具零件.但是SLM 技術(shù)具有能量密度高、光斑尺寸小、成形精度高、冷卻速度快的特點(diǎn),所得增材件有良好的表面粗糙度和尺寸精度,是目前用于帶隨形流道冷卻鑲塊零件增材制造的主要方法[18].采用SLM 技術(shù)制造零件有直接打印和嫁接打印2 種方法: 直接打印通過增材方法制造整個(gè)冷卻鑲塊零件,而嫁接打印指在機(jī)加工零件上增材制造出無法通過機(jī)加工制造的部分(圖15).Marin 等[78]提出一種機(jī)械加工和金屬粉末增材制造結(jié)合的混合制造工藝,用于隨形冷卻通道的鑲塊制造,結(jié)果表明,具有隨形冷卻通道的模具使注塑塑料零件的翹曲縮減為原有產(chǎn)品的1/7,沿著鑲塊的溫度差縮減為原有模具的1/10,成形周期相比傳統(tǒng)模具縮短約36%.吳成龍[79]采用光固化3D 打印工藝,制備用于鑄造模中的隨形流道冷卻鑲塊.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用光固化3D 打印工藝所制備的隨形流道冷卻鑲塊具有更高的冷卻效果和更好的制造精度,適用于更為復(fù)雜的零件制造.目前的金屬3D 打印相比成熟的傳統(tǒng)制造工藝,其效率偏低、成本偏高.在制造一些尺寸較大的模具工件時(shí),用傳統(tǒng)機(jī)加工制造基座部分并在基座上面進(jìn)行嫁接打印,可顯著降低打印成本,縮短打印時(shí)間,而其難點(diǎn)在于對基座材料有要求,以及在機(jī)加工至增材制造過程中的零件定位.

圖15 模具零件嫁接打印方法

3.1.3 帶隨形流道冷卻鑲塊的增材制造應(yīng)用研究

在注塑模中某些細(xì)小型芯內(nèi)部難以通過傳統(tǒng)加工方式制造冷卻水路,故在注射過程中依靠自然冷卻,熱慣性不僅會(huì)導(dǎo)致注射周期加長,還易在注塑件表面產(chǎn)生縮痕和變形缺陷.而采用增材制造技術(shù)可在細(xì)長型芯內(nèi)部構(gòu)造螺旋式冷卻水路[80],增大熱交換面積和冷卻介質(zhì)紊流度,實(shí)現(xiàn)細(xì)長型芯充分且均勻冷卻.德國的SLM Solutions、EOS[81]、Concept Laser、Technische Universitat Dortmund,英國的Renishaw、University of Central Lancashire 和美國的3D Systems、Honeywell 等都已開始采用增材制造技術(shù)制造隨形冷卻流道模具,經(jīng)濟(jì)效益顯著.針對某款鋁合金壓鑄模具的澆口分流器(圖16),基于德國通快TruPrint 3000,通過SLM 方法制造,使其獲得隨形冷卻流道,可明顯提升澆口分流器的冷卻性能,使壓鑄模具開模時(shí)間減少30%[82].

圖16 某澆口分流器內(nèi)部冷卻水道的優(yōu)化設(shè)計(jì)[82]

針對ABB OY 公司生產(chǎn)的電纜套管注塑模具鑲件,芬蘭國家技術(shù)研究中心使用SLM?125 設(shè)備制造內(nèi)帶隨形冷卻流道的模具鑲件(圖17).相比實(shí)心模具鑲塊需30 s 冷卻時(shí)間,后者只需6 s 即可完成制件冷卻,且生產(chǎn)周期從60.5 s減至14.7 s[83].在2021 亞洲3D 打印、增材制造展覽會(huì)(TCT)上,知名模具服務(wù)商(Laser Bearbeitungs Center,LBC;展位號G14)展示了利用EOS 直接激光燒結(jié)技術(shù)優(yōu)化的模具鑲件,其內(nèi)部隨形冷卻流道使模具鑲件的冷卻周期縮短了55%,使用增材技術(shù)后,該公司的生產(chǎn)成本每年可節(jié)省近2 萬歐元[84].

圖17 內(nèi)帶隨形冷卻流道的電纜套管注塑模具鑲件[83]

近年來,國內(nèi)眾多高校、科研院所及企業(yè)也開始將增材技術(shù)應(yīng)用于高性能模具零件的設(shè)計(jì)制造,如華中科技大學(xué)(圖18)[85]、華南理工大學(xué)[86]、大連理工大學(xué)、西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司[87]、武漢華科三維科技有限公司、上海悅?cè)鹑S科技股份有限公司、深圳光韻達(dá)光電科技股份有限公司和東江模具(深圳)有限公司[88]等.

圖18 華中科技大學(xué)增材制造的模具鑲塊[85]

西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)優(yōu)化方面進(jìn)行了長期探索(圖19),能夠根據(jù)客戶的具體需求量身定制模具內(nèi)部的復(fù)雜流道結(jié)構(gòu),解決其生產(chǎn)難題[87].

圖19 鉑力特增材技術(shù)股份有限公司制造的模具鑲塊[87]

東江模具(深圳)有限公司通過增減材集成工藝實(shí)現(xiàn)帶冷卻流道模仁的高效制作[88],即在通過機(jī)加工方法制得底座基礎(chǔ)上,采用嫁接增材制造在底座上增材制造出帶有隨形冷卻流道的部分(圖20),如此所得模具能顯著縮短生產(chǎn)周期(22%)、提高月產(chǎn)量(28%).該公司表示,上述復(fù)合工藝能用于大部分需要隨形冷卻流道的模具制造,而且制造的模具具有很好的質(zhì)量.

圖20 東江模具(深圳)有限公司增減材集成的模具零件[88]

北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院增材制造中心與寧波本地壓鑄企業(yè)合作,針對其細(xì)長型冷卻形塊無法采用常規(guī)減材方法制造內(nèi)部冷卻流道的情況,采用流道優(yōu)化設(shè)計(jì)+激光粉末床選區(qū)熔化方法制造了帶隨形冷卻流道的冷卻鑲塊(圖21),并成功投入實(shí)際生產(chǎn),且服役情況良好.

圖21 北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院增材制造中心制造的模具冷卻鑲塊

3.2 其他高性能模具零件的增材制造

除了制造帶隨形水路的冷卻鑲塊以顯著提高其散熱性能外,增材制造的高性能模具零件還有其他一些應(yīng)用.

其一是高性能輪胎模具.因輪胎的性能取決于輪胎模具中的花紋設(shè)計(jì),且花紋的結(jié)構(gòu)往往呈現(xiàn)出空間三維扭曲、具有弧度和角度多的特點(diǎn),這就導(dǎo)致難以用傳統(tǒng)加工手段精準(zhǔn)完成配套模具表面紋路的制造.而模具的加工精密程度會(huì)直接影響輪胎的精度和質(zhì)量,甚至是輪胎安全、駕駛舒適度等.故通過選區(qū)激光熔化增材制造實(shí)現(xiàn)輪胎花紋設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,是一種有效的方法.目前在輪胎模具制造領(lǐng)域,3D 打印技術(shù)有2 個(gè)層面的應(yīng)用: (1)復(fù)雜輪胎模具,尤其是高性能要求的冬季胎或雪地胎模具中的鋼片制造,這一技術(shù)已在國內(nèi)外輪胎模具制造知名企業(yè)中投入使用.(2)復(fù)雜花紋模具的一體化制造,雖然該應(yīng)用目前仍存在易變形、成本高等應(yīng)用難點(diǎn),但在工序簡化和提升輪胎性能方面極具優(yōu)勢.圖22 為加工方案公司(Georg Fischer Ltd)采用增材制造方法為米其林公司提供的輪胎模具鋼片[89]和復(fù)雜花紋模具[90].

圖22 GF 加工方案公司在輪胎模具的應(yīng)用[89-90]

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

相比基于減材制造理念的傳統(tǒng)切削制造技術(shù),增材制造技術(shù)的核心優(yōu)勢在于: 制造理念的創(chuàng)新帶來設(shè)計(jì)、制造方面的高度靈活性和自由度,特別適合某些具有復(fù)雜形狀特征或特殊性能要求產(chǎn)品的生產(chǎn)制造.雖然增材制造技術(shù)已出現(xiàn)40 多年,但目前仍處于高速發(fā)展階段.圍繞高性能、高效率、低成本的目標(biāo),增材制造技術(shù)不斷推陳出新,還遠(yuǎn)未達(dá)到瓶頸狀態(tài).在這種技術(shù)劇烈迭代的情況下,增材制造技術(shù)難以在產(chǎn)業(yè)界構(gòu)筑穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈,導(dǎo)致增材制造技術(shù)的成本居高不下.目前,增材制造技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、武器裝備等關(guān)乎國家安全的領(lǐng)域,而在民用市場由于其性價(jià)比不高使其應(yīng)用受限,增材制造所用設(shè)備和原材料的價(jià)格是影響增材制造技術(shù)工業(yè)化普及程度的關(guān)鍵因素.在模具行業(yè),目前增材制造技術(shù)的應(yīng)用主要集中在模具快速原型制造和高性能模具零件制造兩個(gè)方面.

在模具快速原型制造方面的主要應(yīng)用: 通過噴射粘結(jié)成形、激光選區(qū)燒結(jié)和光固化成形技術(shù)快速、精準(zhǔn)制造砂型鑄造和熔模鑄造工藝中的模具型腔,以縮短模具開發(fā)周期.通過模具進(jìn)行零件生產(chǎn),模具的制造成本不可忽視.對于砂型鑄造和熔模鑄造工藝,其優(yōu)勢在于模具制造成本低、可以低成本實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜零件的批量化生產(chǎn);缺點(diǎn)在于模具制備工序多、時(shí)間長.而對于噴射粘結(jié)成形、激光選區(qū)燒結(jié)和光固化成形技術(shù)而言,相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化以及原材料(砂粒、陶瓷粉末、粘結(jié)劑)來源廣泛,使得采用上述增材制造技術(shù)制備砂型或陶瓷模具能夠以較低的投入成本、較高的生產(chǎn)效率為民營資本所接受.基于增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)模具快速原型制造,關(guān)鍵需要解決如何快速制造具有高型面質(zhì)量的模具型腔、如何使模腔的型面質(zhì)量在生產(chǎn)過程中保持穩(wěn)定兩個(gè)問題.故需要針對不同的模腔服役工況去優(yōu)化原材料成分和增材工藝參數(shù),以獲得尺寸精度更高、表面光潔度更好、服役性能更穩(wěn)定的模具型腔,而這也是目前國內(nèi)外相關(guān)單位重點(diǎn)關(guān)注和爭相研發(fā)的內(nèi)容.

在高性能模具零件制造方面的主要應(yīng)用: 通過選擇性激光熔化技術(shù)制造內(nèi)含隨形水路的高性能冷卻鑲塊,是增材制造技術(shù)在壓鑄和注塑模具中的主要應(yīng)用.因?yàn)镾LM 技術(shù)是利用金屬粉末在高能束激光照射下迅速熔化粘合,并在激光束離開后迅速冷卻固化以獲得高性能零件,故對粉末質(zhì)量和設(shè)備性能都有較高的要求.SLM 設(shè)備的高昂價(jià)格、粉末生產(chǎn)體系的不完善、專業(yè)人員的稀少等原因?qū)е虏捎肧LM 技術(shù)制造零件的成本居高不下.因此,將SLM 技術(shù)用于少部分關(guān)鍵模具零部件的制造,如冷卻鑲塊、輪胎模具鋼片等,以有限的投入獲得顯著的模具性能提升是目前高端模具制造企業(yè)普遍采用的方法.采用SLM 技術(shù)制造模具零件的目標(biāo)之一是獲得優(yōu)于傳統(tǒng)制造方法的性能,如散熱好、透氣好、壽命長等,而這些性能由粉末組分、SLM 工藝和零件結(jié)構(gòu)等綜合決定,故進(jìn)行材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化增材設(shè)計(jì)制造研究是實(shí)現(xiàn)高性能零件增材制造的根本與關(guān)鍵.

4.2 展望

未來的增材制造技術(shù)在制造模具方面具有廣闊的應(yīng)用前景.首先,增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高度定制化的模具設(shè)計(jì),滿足不同行業(yè)和產(chǎn)品的需求.其次,增材制造技術(shù)可以快速制造復(fù)雜形狀的模具,縮短生產(chǎn)周期、減少生產(chǎn)成本.再次,增材制造技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)模具的功能整合,將多個(gè)部件合并為單一的模具,提高生產(chǎn)效率.

然而,增材制造技術(shù)在制造模具方面仍面臨一些困難.首先,制造大型模具受到增材制造設(shè)備尺寸的限制,目前的增材制造設(shè)備尺寸有限,無法滿足大型模具的需求.其次,在增材制造過程中可能出現(xiàn)材料性能不均勻、殘余應(yīng)力等問題,影響模具的質(zhì)量和使用壽命.此外,增材制造技術(shù)的制造速度相對較慢,無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求.

為了克服這些難題,未來需要解決以下幾個(gè)問題: (1)需要開發(fā)更大尺寸的增材制造設(shè)備,以滿足大型模具制造的需求.(2)需要進(jìn)一步研究材料的性能和特性,以提高模具的質(zhì)量和耐用性.(3)需要改進(jìn)增材制造的速度和效率,以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求.(4)需要加強(qiáng)增材制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,以確保模具的制造質(zhì)量和穩(wěn)定性.