增材制造刀具
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 更轻、更好的减震和冷却

此前，根据3D科学谷，机械加工刀具制造商肯纳金属（ Kennametal）开发了一种轻量化镗孔刀具，这款镗刀是通过增材制造-3D打印技术制造的，用于加工新能源汽车电机定子。近日，总部位于瑞典的山高刀具报告称，该公司越来越多地采用激光粉末床熔融 (L-PBF) 增材制造技术作为其制造的基本组成部分。山高刀具为铣削、非转位刀具、孔加工和刀柄系统提供全面金属切削解决方案。

增材制造方法的一个主要优势是可以制造出传统制造难以实现的专门针对客户的刀具和解决方案。然而，最重要的是，山高预计在生产必须以特殊方式设计的刀具时，增材制造技术将发挥作用。这涉及到复杂的几何形状或针对客户特定需求的非标刀具。

3D打印与刀具制造
© 3D科学谷白皮书

增材制造可以使刀具更轻，从而提高减震性能，或提供更好的冷却性能。

通过引导冷却液在正确的位置撞击切削刃，可以显着延长刀具的使用寿命。借助增材制造技术，可以将冷却液引导至原本不可能到达的位置，增材制造技术还有助于缩短交货时间，能够减少制造步骤，这通常会缩短交货时间，从而加快交货速度。

增材制造还有望在未来开辟修复损坏刀具的可能性， 就环境友好和可持续发展而言，这尤其重要。总的来说，增材制造制造所用的材料并不多，剩余的粉末还可以重复使用。

 带内冷的飞流刀具技术

这使得增材制造成为一种既省时又经济的独特生产方法，同时仍适用于批量生产。山高刀具已经在为其 Jetstream 刀具增材制造冷却夹具。新型刀杆提供内冷的同时仍可以与外冷喷管一起使用。山高内部 JETI 技术可以将冷却液从机床直接引导至刀杆，然后通过新的冷却液压板喷出。该压板采用3D打印-增材制造技术制成，内冷通道专为车削应用而优化，以稳定控制切屑，有效延长刀具寿命。凭借新的冷却液压板，转动一颗螺钉即可快速更换刀片。

增材制造刀具
©SECO

得益于山高全新的 VDI 尾端转接头系列，使用 VDI 型车床转塔的制造商现在可以受益于山高 Jetstream Tooling® 飞流刀具技术。新的转接头允许车间使用高压冷却液，从而实现高生产效率并延长刀具寿命。

未来，山高将添加更多的材料用于3D打印，同时根据需要定期调整设备并升级硬件和软件。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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根据3D科学谷的市场观察，刀具属于高附加值产品，而通过实现更复杂的槽型和内冷设计，3D打印正在提升刀具制造的附加值。如今，德国钴领-Guhring在英国的公司3D打印的H13工具钢铣刀投入生产。

来源：德国钴领

 更轻更强大

德国钴领集团，是全球领先的旋转刀具制造商，成立于1898年，迄今已有一百多年制造金属加工刀具的历史，目前近50个分支机构已遍布全球。

钴领英国是德国钴领集团在伯明翰的子公司，该公司专门为宝马、捷豹路虎、空中客车和BAE Systems等公司提供定制的硬质合金和多晶金刚石（PCD）切削刀具。

钴领英国通过Markforged金属3D打印技术来制造其定制化的刀具，通过Metal X 3D打印机制造了H13工具钢铣刀并将其投入生产。

该铣刀有独特的设计以提高效率，新设计的刀具可将零件的重量减少60％，将成本减少75％，使该公司能够以更低的价格为其客户生产更多功能，更轻巧的工具。并使团队能够开拓新的收入来源并更好地为市场服务。

根据3D科学谷的了解，钴领英国的确做得非常出色，通过3D打印技术来优化刀具的重量和内部几何形状，从而更快、更便宜地制造出更高效的刀具。

基于Markforged云的3D打印机管理软件，钴领英国实现了一站式的设计与制造，同时内置触摸屏界面和自动材料跟踪功能使Metal X系统成为制造金属零件的最简单方法。

 3D科学谷Review

钴领英国所使用的Markforged金属3D打印技术正在迎来快速的市场增长，根据CONTEXT, 2019年第二季度，金属3D打印设备发货量的前五名厂商(按照台数）分别是：GE, EOS, Markforged，Desktop Metal, 德国通快，Markforged名列第三名。在2019年上半年，中国国内市场上工业级打印机的出货量尤其强劲，而Desktop Metal和Markforged等新型的间接金属3D打印解决方案也受到了市场青睐。

来源：Highlights l 3D打印机市场有望在2019年下半年实现两位数的出货量增长

增材制造正在高附加值零部件直接制造领域替代传统制造工艺，3D打印与机械加工如何融合，又会产生怎样的替代与竞争关系，其中蕴含的趋势与机遇值得深思。

根据3D科学谷的市场观察，不仅仅是钴领这样的企业，刀具行业肯纳金属已建立了增材制造业务，为制造业用户提供完整的增材制造解决方案，包括提供Kennametal Stellite™系列金属3D打印粉末，增材制造零部件设计与优化，功能性金属3D打印原型零件，以及提供端到端的增材制造生产解决方案。

肯纳金属将金属粉末、粉末床激光熔化、粘结剂喷射3D打印技术与烧结，生坯加工，热处理，热等静压，机加工和研磨后处理，材料和组件性能测试等制造专业知识相结合，制造耐磨、耐腐蚀和高温性能的复杂零部件与刀具。

对于文中所聚焦的应用，根据3D科学谷的市场观察，金属3D打印技术在制造复杂的刀具外部结构以及内部冷却结构方面占有了一席之地，山特维克可乐满、玛帕、高迈特等世界上著名刀具制造商，已将金属增材制造工艺应用到个别类型刀具的生产中，从而实现刀具性能的提升，或实现传统制造工艺无法实现的特殊刀具。

GF-乔治费歇尔将3D打印与传统机加工结合起来制造的刀具。来源：3D科学谷

而在国外刀具厂商引入3D打印作为一种制造技术的推动作用下，可以预期，这将在国内的刀具制造方面引起变化。根据《3D打印与金属切削刀具白皮书》，2017 年我国共有规模以上切削刀具制造企业 548家，其中能够提供现代高效刀具的企业，主要为一些国有控股的骨干企业，包括国内汉江工具有限责任公司、哈尔滨第一工具制造有限公司、株洲钻石切削刀具股份有限公司等。

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本期，3D科学谷与谷友一起来领略ACAM亚琛增材制造中心和Fraunhofer IPT正在与合作伙伴LMT蓝帜合作研究的增材制造EVOline滚压头铰链的工艺链。

具有增材制造的滚压头铰链的EVOline滚压头。

来源：LMT Fette 蓝帜菲特

 16个工序减少至4个工序

根据工件的几何和工艺特性，项目团队选择了代表性的滚子头铰链，并得出了增材制造的特定要求。然后，团队根据性能，制定了设计策略和材料选择，开发了包括从设计到加工以及所需后处理在内的整个过程链。

对于LMT Fette 蓝帜菲特而言，该项目是从创新产品开发开始，在项目期间，LMT Fette蓝帜菲特将用于螺纹滚压的滚压头的滚压头铰链确定为增材制造的工件。

滚压头的尺寸范围为1.6至34 mm，所需的表面粗糙度为R z = 4微米。公差在±0.01 mm的范围内。使用的原材料是工具钢。通过使用3D打印技术，可以在滚动头铰链中集成具有最佳流量的可调式冷却和冲洗喷嘴。此外，可以通过基于仿真的拓扑优化来减轻重量-同时提高断裂强度。

蓝帜菲特螺纹滚压系统应用领域广泛，可以应用在汽车及其零部件（高压共轨喷射系统、减震器、活塞杆、转向系统、传动系统等），管接件（各类管接头及相近零件），高性能紧固件（航空航天高强度螺栓等），石油行业（推油杆/抽油杆）等领域。

使用增材制造技术加工滚压头铰链所面临的挑战是在实现产品收益的同时，建立完整的工艺链并控制成本。通过查看工艺链，增材制造技术与传统技术之间的区别变得显而易见。

增材制造与常规制造工艺链的比较。来源：Fraunhofer IPT

基于L-PBF工艺（激光粉末床熔化）的增材制造工艺取代了传统制造工艺，滚压头铰链的加工从16个步骤减少到4个步骤，这将总体的加工时间减少了 80％以上。为了提供夹紧所需要的精度，3D打印的滚压头铰链后期经过了铣削的精加工处理。由于与产品开发同时开发了完整的工艺链，因此生产成本保持稳定。

该项目的结果说明了增材制造技术的潜力，特别是在功能集成方面，拓扑优化零件的生产显示了增材制造的优势：复杂的内部结构也可以通过增材制造技术实现。

 3D科学谷Review

根据3D科学谷的市场观察，项目中的德国亚琛增材制造中心(ACAM)是于2015年9月建立的，由Fraunhofer非常规制造工艺和技术集成研究所IPT和Fraunhofer激光技术ILT成立，ACAM旨在联合Fraunhofer旗下研究所以及亚琛高校资源帮助制造企业有效地利用增材制造方法，并为其生产过程带来利润。

3D科学谷Kitty Wang(左), ACAM-亚琛增材制造中心总裁Kristian Arntz博士（右）
来源：3D科学谷

正如3D科学谷创始人采访ACAM-增材制造研发中心总裁Kristian Arntz博士时， Arntz博士所提到的Fraunhofer致力于打造技术、设计产品、改进方法和技术，从而通过富有创造性的研究开辟新的前景。赋能创造性的前景，这一点，在ACAM与LMT蓝帜合作的项目可以得到直观的体会，对于参与公司LMT蓝帜而言，这种项目的优势在于他们可以借助专家力量来挖掘当前的产品线与增材制造相结合的潜力。

对于文中所聚焦的刀具应用，根据3D科学谷的市场观察，金属3D打印技术在制造复杂的刀具外部结构以及内部冷却结构方面占有了一席之地，山特维克可乐满、玛帕、高迈特等世界上著名刀具制造商，已将金属增材制造工艺应用到个别类型刀具的生产中，从而实现刀具性能的提升，或实现传统制造工艺无法实现的特殊刀具。

但在金属3D打印技术为刀具制造带来附加价值的同时，我们不难发现，金属增材制造正在高附加值零部件直接制造领域替代传统制造工艺，传统工艺中就包括使用金属切削刀具进行加工的机械加工工艺。未来，3D打印与机械加工如何融合，又会产生怎样的替代与竞争关系，其中蕴含的趋势与机遇值得深思。

《3D打印与金属切削刀具白皮书》从中国金属切削刀具市场、国际刀具市场情况入手，剖析了目前3D打印技术在刀具制造中的应用、3D打印与机械加工刀具之间的关系。延伸阅读：《3D打印与金属切削刀具白皮书》。

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3D打印技术在刀具的应用方面一大派系是3DP粘合剂喷射打印技术，通过热处理后的刀具硬度可以满足应用需求。另一大派系是SLM金属3D打印技术，通过粉末床选择性激光融化技术制造金属刀具特殊的槽形或者刀具内部复杂的冷却通道。这两项技术越来越引起刀具行业的重视。本期，3D科学谷与谷友共同来领略哈尔滨理工大学通过3DP打印技术制备微织构硬质合金球头铣刀的技术。

在切削加工钛合金时，钛合金与刀具之间的摩擦系数较大，钛合金切屑沿前刀面摩擦速度较高，剧烈的摩擦导致刀具易磨损及表面质量较差是限制钛合金发展的主要因素，钛合金零部件的使用性能优劣主要依托于零件的加工质量，这类问题已经成为航空航天相关研究人员最为关注问题之一。

近年来，仿生摩擦学提出了一种表面织构的概念。所谓表面织构(SurfaceTexturing)，又称表面微造型，是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵。高性能的表面织构可以实现良好的减摩、抗粘附和提高耐磨性，这给刀工表面状态减摩带来了新的研究方向，也提供了理论依据。当前，国内外已有少数学者进行了表面织构在切削刀具上的应用，研究虽处于起步阶段，但其研究结果均证明了表面微织构刀具有提高刀具切削性能的功效。

关于微织构在刀具表面的应用以及对刀具性能影响的研究还处于起步阶段，大多集中在车削刀片以及可转位面铣刀片上，切削材料以45#钢和铝合金为主，尚未发现表面微织构应用于球头铣刀铣削钛合金的研究以及关于微织构优化的研究报道，因此改变钛合金目前的低效加工模式，为微织构刀具实现钛合金的高效高质量切削做出有益探索。

现有的表面微织构制备方法主要有：激光表面织构技术(LST)、表面激光喷丸(LPT)、LIGA技术、反应离子刻蚀(RIE)、压刻技术、电解质加工、电火花加工、电加工等。这些技术都是在基材表面直接进行微区加工实现织构化，但多数现有织构化技术还是属于“减材”制造技术，主要以刻蚀、压印等方式在表面形成单一的凹坑或凹槽为主，其中激光表面织构技术以其制造加工速度快，应用材料范围广，精度高，对环境无污染以及优良的形状、尺寸控制能力等优点被广泛应用在表面微织构领域。但是利用这种方法在刀具表面加工微织构时容易在微织构周围产生热影响区以及微裂纹，会影响刀具在加工时的强度以及使用寿命。

随着塑料材料3D打印技术相对成熟，金属3D打印技术凸显出巨大的发展潜力，成为当今快速成型领域重要的发展方向和研究热点。金属3D打印技术大多数采用的是以激光作为输入热源，通过融化或者烧结金属粉末进行逐层叠加打印制件。但是对于硬质合金这种两种性质相差较大的复合材料，其中WC属于陶瓷类，熔点高；而Co属于金属，熔点低。虽然激光达到的温度足以将WC熔化，但达到WC熔化的温度时，Co会蒸发，凝固后合金组织无法满足作为硬质合金的要求。

哈尔滨理工大学通过3DP粘合剂喷射3D打印技术解决了现有3D打印技术无法生产硬质合金刀具以及现有技术在刀具上制备的微织构存在一些缺陷等问题，进而提出一种基于3D打印技术的微织构硬质合金球头铣刀制备方法。具体来说包括如下步骤：

- 制备YG8硬质合金球头铣刀粉末原料：YG8硬质合金球头铣刀粉末原料的主成分配比为8％的钴粉和92％的碳化钨粉；

- 制备有机粘结剂：有机粘合剂的主要成分包括石蜡以及聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇中的一种；

- 建立球头铣刀的刀—屑接触面：通过计算和实验来得到在给定切削用量条件下球头铣刀在加工过程中前刀面的刀—屑接触面积以及在前刀面上的位置；

- 建立微织构硬质合金球头铣刀的三维模型：采用上一步建立的刀—屑接触面积模型，然后在这个面积的区域以一定的微织构尺寸、深度和间距植入凹坑微织构模型，从而能够达到最好的减摩效果；

- 通过三维模型打印微织构刀具实体；

- 后处理工艺：首先将微织构硬质合金刀具放入氢气环境下进行热脱脂处理，除去粘合剂；最后再采用真空烧结工艺对硬质合金微织构球头铣刀坯体进行烧结处理，烧结温度为1400°～1420°左右，烧结过程持续时间为3～6小时；最终使微织构硬质合金球头铣刀达到100％的密度以及足够的强度。

3DP是一种粘合剂喷射打印技术，哈尔滨理工大学通过3DP技术和后处理技术制备的微织构硬质合金球头铣刀能够使刀具到达100％的密度，并且经过后处理后的紧实度和强度能够与传统加工方式得到的硬质合金刀具基本一致。

基于硬质合金球头铣刀的复杂形状，采用传统的加工方式制备过程会比较麻烦，而且还会造成材料的浪费。哈尔滨理工大学的制备方法来制备的微织构硬质合金球头铣刀能够得到的尺寸精度更高，而且还在前刀面上建立出特有的刀—屑接触模型，能够实现在该接触面积上打印出直径从50微米到200微米的凹坑微织构阵列，并且尺寸精度非常高。

与目前在硬质合金球头铣刀上制备微织构的方法相比，哈尔滨理工大学除了能够制造出复杂形状的球头铣刀之外，还可以在球头铣刀前刀面刀—屑接触区制备出外形尺寸更精确的凹坑微织构阵列，从而可达到在切削加工时减小刀—屑的接触面积、降低刀—屑接触区的摩擦系数、减少刀具的磨损。

哈尔滨理工大学还克服了采用传统技术在硬质合金球头铣刀上制备微织构的一些缺陷。例如，利用激光技术在硬质合金球头铣刀上制备的微织构尺寸精度非常低；硬质合金表面在高温熔化过程中还可能会与空气中的氧反应，导致刀具的成分发生变化；在微织构周围还会产生热影响区，可能产生微裂纹等都会影响刀具的使用寿命。因此哈尔滨理工大学在提高硬质合金球头铣刀结构强度的同时还进一步改善了微织构刀具的减摩抗磨性能，从而提高其使用寿命。

根据3D科学谷的市场研究，使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具在国外已有。德国弗朗霍夫（Fraunhofer）研究所的研究人员就成功地使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具。通过3DP打印硬质合金粉末，研究所能够轻松创建复杂的设计。在这个过程中，陶瓷硬质材料的粉末颗粒，包括碳化钨颗粒通过含钴、镍或铁的粘结材料层层打印粘结起来。这种粘合材料不仅是粉末层之间的粘合剂，还使得产品具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。后续的处理包括烧结处理，得到与传统加工方式一致的硬质合金模具紧实度。

而不仅仅哈尔滨理工大学和Fraunhofer研究所运用的3DP技术，高迈特公司还使用了SLM金属3D打印技术和机械加工技术用于制造铣刀。铣刀中拥有密集出屑槽的刀体部分是通过金属3D打印技术制造的定制化非标产品，刀柄部分则是通过机械加工技术批量化生产的标准产品。

另外一家，玛帕公司还通过3D打印技术创造出QTD系列刀具复杂的螺旋冷却通道，从而提高了冷却液到钻头顶部的流动过程中的热传导能力。玛帕的钻头与之前的钻头相比使用寿命更长、运转速度更快。

无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是SLM技术用于金属刀头和刀柄的制造，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。

参考资料：CN106363168A
Influence of surface topography on the wear of hot forging dies

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