本期3D科学谷将通过GF加工方案的金属3D打印技术在半导体装备流体歧管领域的应用，来透视金属3D打印怎样提升流体歧管性能，为下游的半导体制造装备提供助力。

半导体制造装备

 多而复杂的流体歧管

流体歧管是连接两个或多个流体管道或通道的部件。虽然概念上很简单，但此类部件在所属系统中发挥着重要作用。提高流体歧管性能，将提升整个系统的性能。

当采用传统制造工艺时，流体歧管的设计优化空间受到了制造技术的限制，重量和体积过大、尖角、滞流区和多个易漏连接点等问题很常见。

金属增材制造-3D打印技术能够以传统制造无法实现的方法优化流体歧管。其背后的逻辑是，采用增材制造设计思维的部件可以采用整体设计，无需组装操作，能够生产有机的薄壁形状，还减少了最终组件的重量和体积。

这些优势在半导体制造设备等应用中尤其有益。因为半导体制造设备的特点是在洁净环境中封装密实、快速运动的组件，其包含许多流体管道。增材制造流体歧管旨在提供更好的性能，在一些应用中，测得的干扰力最高降低了90%

灵活多样的增材制造流体歧管

增材制造流体歧管可用于各领域所用的快速运动组件的流体连接。在这些以性能为主的环境中，增材制造优化所带来的优势是关键。增材制造可以减轻重量来获得更好的惯性结果，消除尖角以更好地控制压力下降和干扰，并通过最大程度减少连接点来降低泄漏风险。

 为什么增材制造能够流体歧管性能？

使用增材制造的好处通常是相互关联的。无论项目的主要目标是什么，都可以通过巧妙的设计策略来实现所有这些好处，令产品的表现超越主要目标（例如，减轻重量和改善流动性）。推动流体歧管应用采用增材制造的关键因素包括：

●轻量化
轻量化对于快速运动系统中的组件尤其有重大影响，例如赛车和半导体设备，增材制造设计策略可以减轻质量，同时保持或提高强度。

●薄壁
增材制造可实现低至0.3毫米的壁厚。生产壁厚更薄的部件有助于降低组件重量和成本。

●有机形状
通过消除尖角，并将形状从以制造为导向调整为以性能为导向，减少歧管内的湍流和滞流区。

●减少部件数量并提高密封防漏性
增材制造能够将多部件组装件整合为更少的甚至单个组件。通过减少或消除组装作业，可以消除已知的故障点，从而提高可靠性和组件使用寿命。
●形式追随功能
传统制造具有一定的局限性。当歧管的设计专门针对传统制造工艺时，必须相应地对歧管作出调整，这通常会增大部件原本所需的占用空间，或者必须降低性能。采用增材制造，可以更加轻松地根据歧管预期功能的理论最佳形式来设计和制造歧管，从而提升歧管性能。

 流体歧管增材制造工作流程

1. 增材制造设计提示
要充分利用增材制造，针对增材制造开展设计非常重要。当然设计并不是在现有技术上进行修改，而是从希望实现的功能以及设计约束条件出发，重新开始设计。

2.文件准备
恰当的文件准备同时考虑了打印流程和3D打印流体歧管的后处理。在后处理环节中，某些操作可能会受到限制，例如无法对内部特征执行数控加工操作，因此应在进行增材制造流体歧管设计之初，考虑到后处理工艺。

3.打印设置和参数
金属3D打印设备（如 DMP Flex 350 ）的参数经过验证，可以为用户提供内置增材制造专业知识，向任何增材制造熟练程度的用户推荐使用。

4.后处理
一般情况下，建议使用液体来清洁和抛光，因为液体清洁和抛光工艺更适合采用增材制造生产的有机复杂形状。此外，建议流体歧管增材制造用户从后处理环节中获取相关反馈，并使用这些见解来改善和改进部件设计或文件准备两个方面。

5.增材制造解决方案组成部分

/ 金属3D打印

GF加工方案通过软件，基于粉末床激光熔化的金属3D打印设备和后处理设备，以及专利设计的System 3R夹具，这三股平行工作流程，为复杂金属零件提供从设计到成品交付的完整增材制造解决方案。

例如上图所示高温合金双壁涡轮增压器增材制造解决方案是由GF 加工方案 AMotion Center 应用中心（瑞士）针对用户需求开发的。GF加工方案位于上海的 AMotion Center 应用中心，专为中国制造业用户推进增材制造应用，实现产品创新提供技术先进解决方案的支持。

/ 软件

3DXpert®是GF合作伙伴3D Systems的集成式增材制造工作流程软件，涵盖从设计和文件准备到打印设置和参数的所有流程。

/ 材料

•钛合金等级Gr5/Gr23
•铬镍铁合金718/625
•铝合金
•不锈钢316L

增材制造能够提升流体歧管的性能，并通过其带来的优势（例如减少部件数量和组装工作）延长整个系统的使用寿命。成功实施增材制造，在于将制造部件所花费的成本，转化为整体的附加价值。对于半导体制造装备等极具高附加值的装备来说，通过增材制造技术对其中的零部件进行性能升级，是个值得探索的方向。

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以赛车涡轮增压器为例，该部件要求更复杂的几何形状、几何特征和材质，熔模铸造是以前唯一可用的方法。而基于选区激光熔化的3D打印技术为复杂涡轮增压器的设计与制造带来了全新的方式。

本期，3D科学谷将分享的应用案例是一种3D打印高温合金双壁涡轮增压器，其设计采用了双壁结构，而这种复杂设计是无法通过传统工艺加工出来的。GF 加工方案通过软件、金属3D打印和后处理设备，以及专利设计的System 3R夹具这三股平行工作流程，为复杂双壁涡轮增压器提供了从设计到成品交付的完整增材制造解决方案。

传统熔模铸造工艺生产的涡轮增压器© GF加工方案

增材制造带来全新圈速记录

无论在赛道上还是在赛道外，速度才是致胜的关键，而风驰电掣的背后仰赖的是工程设计和制造的支持。

竞争日趋白热化，零件的设计与制造也同样面临巨大的挑战。以提速的首要装备——涡轮增压器为例，赛车领域的涡轮增压器有极为复杂的形状、几何特征和材质。

熔模铸造是以前唯一可用的方法，但它的局限性也同样明显。

 熔模铸造中存在的挑战

赛车需要提升竞争力，必须在遵循简洁设计的原则下使关键零件达到更高的性能，并且需要精确的平衡作用力，这就不可避免地需要频繁变更设计，相应的也就需要一个灵活和高效的生产工艺，而这正是工艺繁杂的熔模铸造是无法满足的。工艺环节越多，出错风险就越高，瑕疵产生机率越大，生产周期也更长。

要使涡轮增压器高效率地工作，必须有效隔热，用双壁结构形成空气间隙，避免内部的热量传递到外壳，但是，双壁结构的问题是难以铸造。

为了保持理想的工作压力，需要通过两个废气门来进行排气，铸造的方法是将主机壳、两个废气门分开制造然后再进行后续组装，这种方式显著增加成本和重量。

发动机的减重是另一个挑战，赛车的平均设计时速超过200 km/h，减重可以大幅提升性能。

因此，所有零件的壁厚都要尽可能薄，以减轻发动机的重量，但是薄壁的铸件强度又不足。

虽然铸造工艺也可以成型许多复杂的内部几何特征或功能面，但是基本上制造周期都比较长。另外，一些形状铸造是无法成型的，比如封闭式腔体内的几何特征既无法用铸造的方法成型，也无法在后续加工中成型。因此在前期设计涡轮增压器时就会受到铸造工艺的诸多限制。

熔模铸造的工艺环节繁多，生产周期长。长则难以满足赛车快节奏的要求。要进一步提升性能就需要使用更先进的技术，才能使赛车创造全新的圈速记录。

 增材制造带来的新设计与性能提升

© GF加工方案

增材制造可以最大化的释放设计自由，使之专注于零件的功能性，工程师在零件的设计中可以更接近理想的状态，并且可以突破工艺的限制将复杂的组件整合成一个完整的零件。

传统制造此涡轮增压器需要使用三个零件：主机壳和一侧的两个废气门。这两个部件铸造后，还需要焊接固定双壁隔热罩。如果使用增材制造技术，则可将该涡轮增压器设计为一个单件的零件，一体成型，废气门不需要密封垫或和组装，而是直接打印一个完整的壳体。这可以大大简化组装操作，减轻重量。

© GF加工方案

此外，整合后的单件零件还能提高涡轮增压器的整体可靠性。由于不需要加工公差严格的装配面，因此，可以减少不同零件间可能发生的泄漏而导致的失效。通常，还可以改进双壁结构的薄厚，进一步减轻重量，同时可以隔热，提高性能。

相比熔模铸造方法，金属3D打印生产的F1赛车零件为生产企业提供明显的时间成本和制造成本的优势。越来越多的高端汽车制造商在生产中采用增材制造技术快速和可靠地实现了制造目标。

© GF加工方案

GF加工方案通过软件、金属3D打印及后处理设备，以及专利设计的System 3R夹具三股平行工作流，为涡轮增压器提供从设计到成品交付的完整增材制造解决方案。

 如何突破精密铸造工艺的挑战？

高温合金双壁涡轮增压器增材制造解决方案是由GF 加工方案 AMotion Center 应用中心（瑞士）针对用户需求开发的。2020年，GF AMotion Center 上海应用中心成立，为中国制造业用户推进增材制造应用，实现产品创新提供技术先进解决方案的支持。

2021年7月21日下午14：00，GF加工方案的增材专家将通过在线研讨会与谷友们分享这一完整增材制造解决方案如何支持用户打破传统精密铸造工艺，并通过增材制造生产复杂金属零部件。

l 文章来源：GF 加工方案

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因为模具行业的竞争十分激烈，而且增材制造模仁的成本不菲。

GF加工方案分享了一例来自著名模具与注塑生产制造商-东江模具的增材制造成功案例。案例展示了东江模具通过增材与减材相集成的完整工艺高效制作模仁，在降低整体制造成本的同时，还在提高工件质量方面发挥重大作用。

在本案例的下篇中，3D科学谷将分享东江模具如何通过GF加工方案解决方案，实现智能手表包装盒零件注塑模仁的嫁接打印，怎样降低成本和提高效率，达到经济性，东江模具增材制造模仁达到了怎样的交付质量。

《金属增材制造嫁接打印应用》
——模具企业怎样降本、提质、增效？
© GF加工方案

技术整合的重要性

 嫁接打印

本案例上篇，请点击前往:《东江模具成功案例-嫁接打印在智能手表包装盒生产中的应用 l 上篇》。

许多模具制造公司用增材制造的随形冷却方法降低成本和提高效率，在许多应用中，要达到经济性需要使用不同的方法。毫无疑问，由于结构原因，这些应用中的零件通常需要使用大量模具原材料，在增材制造中，也就是金属粉末。由于增材制造的模仁成本与增材制造中使用的粉末量直接相关，大型工件的生产成本必然较高。

为解决这个难题需要找到新的方法，则需要使用嫁接打印的解决方案。先将适合传统减材制造的部分用传统方式加工，再将需要随形冷却的部分嫁接到传统加工的部件上，实现成本降低。

图1 温度分布模流分析仿真，可以帮助设计师改善温度均匀性，减少热点。© GF加工方案

此外，使用嫁接打印可以避免一般3D打印最终线切割(打印件和基板分离)的步骤，进一步降低了成本。通常，这种工件被称为复合加工工件。

不同于许多增材制造应用，这里使用的生产工艺的第一步是底座的预成形件加工。在东江模具的应用中，底座的外形几何形状是在线切割（EDM）机床上由线切割机床加工的。另外，底座上的注塑孔和冷却流道也进行了深孔钻。由于增材制造只能在水平面上成形，因此，预成形件的高度必须全部相同。

但是，减材加工后的底座在嫁接增材制造的时候，会失去基准。将底座固定在增材制造基板上后，原有的基准和定位就都丢失了。因为增材制造不同于数控切削加工，在增材制造设备上，光学系统与基板之间没有物理联系，因此，很难套用减材机床的基准。

相反，生产企业通常只能用视觉找正方法或在机外用三坐标测量机（CMM）确认定位精度。这两种方法都十分消耗时间，简单的视觉找正方法，则无法保证精度。在要求误差低于100 µm的情况下，这两种方法都无法满足大多数应用的定位要求。

为解决该问题，GF加工方案开发了对应的解决方案，该方案充分利用DMP系列金属增材制造设备上的熔池监测系统。

在DMP Flex 350 增材制造设备上，“DMP监测”熔池监控可以在成形过程中采集熔池数据，用于发现可能的缺陷，例如未熔孔等缺陷。

“DMP校准”工具可充分地将感光监测硬件设备用于其他用途：

图2 成功进行嫁接打印的关键是高精度的定位：监控数据采集和拟合。© GF加工方案

利用嫁接底座上已有的孔，作为定位孔。使用熔池监控收集反射孔的数据，可以非常精确的定位底座在基板上的位置（图2）。

图3 嫁接底座使用S3R夹具固定在DMP Flex 350金属3D打印机上，已经为下一步的嫁接打印做好了准备。© GF加工方案

用户自定义阈值后，完成定位。这样的定位方式可达到非常高的精度和重复精度，而且没有任何人为失误风险。

同时，这种方式还可以在同一个成形平台上同时确定多个工件的基准，进一步加快批量生产速度。激光的光学系统精度高，定位精度也高，可以保证嫁接工件达到很高的质量。

图4 正在进行定位操作的定位孔扫描。用户自定义阈值后，定位可达到非常高精度和重复精度，而且没有任何人为失误风险。
© GF加工方案

最后，GF加工方案旗下的System 3R的专用工装夹具提供标准化的工件接口，可用于多种加工设备，用这些工装夹具不仅可以用于DMP 增材制造设备上的嫁接打印，还可以用在打印完成的后处理减材加工上。一套基准，不需要再次定位。

图5 DMP Flex 350设备正在底座顶部打印带有随型冷却流道的增材制造部分。© GF加工方案

东江模具使用上述工艺和设备生产复合工件达到非常高的质量，而且大约90%所生产模具都可以使用这种方法在增材制造中成形随形冷却流道。在本案例中，智能手表包装支架的嫁接打印对象用两个不同的定位操作并用线切割的方法加工嫁接底座，都使用了System 3R夹具。

在该应用中，用DMP校准工具准确定位嫁接底座，自动计算和拟合并将计算结果转到打印任务文件中。

最后一步，在DMP Flex 350 设备上用Laser-Form®马氏体时效钢1.2709进行增材制造；Laser-Form®马氏体时效钢是模具行业使用的耐磨性能十分优异的一种成熟材质。

图6 打印完成后的复合成形模仁。烟尘是密度不均匀的主要原因，精确地调整层流氩气能有效消除烟雾，避免密度不均匀。由于使用特有的校准工艺，成品件的嫁接质量非常完美。© GF加工方案

在模具应用中，表面和近表面的气孔是不能容许的，这是因为在成形后的加工中，气孔可能成为工件壁上的空腔，造成注塑产品缺陷；而且，模具在使用过程中，必然存在热疲劳，因此，气孔会严重影响到模具的使用寿命。增材制造中，烟尘是密度不均的主要原因，在DMP Flex 350 增材制造设备上，优异的烟尘控制，得益于高精度校准的层流气流设计，有效的避免密度不均匀问题。

相约TCT 亚洲展（5月26-28日）与GF 专家面对面沟通如何运用增材制造技术制造高附加值复杂零部件（7.1号馆H48展台）。

 成形后加工

工件成形后，需要进行最终的减材加工，以确保其几何精度和表面粗糙度。CAM编程的第一步是生成指定部位表面精加工的刀具路径。3D Systems的Cimatron®软件提供该功能，可以无缝对接在增材制造与减材制造。

图7 由该表所采集的注塑数据可见，使用新的模仁，生产周期时间缩短22%，由21.70与21.79秒缩短到16.98至17.01秒。© GF加工方案

编程完成后，将模仁装夹在GF加工方案的Mikron MILL S 400 U铣削加工中心上。这是一款非常著名的用于加工模具的铣削加工中心，用该加工中心加工的工件可达到十分高的表面质量。

对于透明的最终成品塑料件，任何缺陷都可见，因此，模具的高表面质量尤其重要。模具部件表面达到镜面级，无需进行手动抛光操作，缩短了生产周期时间。

顶针的矩形部位需要铣削加工（3+2轴预加工）和磨削精加工。

高生产效率和高生产力降低整体使用成本

本文突出两个要点：注塑周期和工件质量。第一点影响生产力，第二点减少废品率，进一步减少成本。

如图14所示，从采集的注塑数据可见，传统模仁的总注塑周期时间在21.70与21.79秒之间。优化模仁后，缩短了塑料冷却的时间，周期时间稳定在16.98与17.01秒之间。这就是说：显著缩短周期时间达22%。

图8 DMP Flex 350是一款可靠的金属3D打印机，可在24/7模式下生产工件且应用广泛。© GF加工方案

因此，成倍地提高了生产力。东江模具的产品月产量提高至原月产量的128%。

由于可以降低单位小时的设备使用成本和提高设备的生产灵活性，因此，可提高生产力和降低成本。由于温度均匀性的改善和热点的减少或消除，东江模具还提高了重复精度和成品件质量，因此，能降低废品成本，同时提高最终客户的满意度。

该解决方案不仅让东江模具公司满足了市场需求，而且无需投资购买其他新模具。东江模具的应用表明，用增材制造技术生产模仁的投资回报率十分可观，在特定情况下，在生产26天即可收回投资。

考虑到本案例仅是应用中的一例，东江模具可将该技术用于许多模具和同时用在多个生产基地，因此，增材制造技术能快速收回投资。这就是说，现在，东江模具的增材制造设备高负荷地工作，满足不同优化设计的模仁生产需求。

这一点已得到东江模具成功案例的充分证明，现在，增材制造的模仁已广泛用在该公司的日常生产中。

从该案例可见，要充分利用增材制造这项颠覆性生产技术快速实现投资回报，生产企业不应仅仅需要评估增材制造技术本身的工艺价值。为使该技术彻底达到工业生产规模，必须将增材制造与传统、成熟的生产技术相结合；需要形成完整的工作流程，也就是GF加工方案一直秉承的加工解决方案理念：从设计到交付。

 结论

在模仁内打印随形冷却流道，将增材制造技术用于模具制造，事实再次证明，这是一种行之有效的提高生产力和工件质量的成形技术。

GF加工方案和3D Systems两公司在众多领域和工艺方面拥有深厚的专业技术，因此，能为用户提供有效的行业解决方案。两公司共同提供专用的产品和工具，例如3D Systems的3DXpert“模具增材制造”软件，用其设计和分析随形冷却流道，随DMP系列金属3D打印设备还提供DMP校准工具，用于生产复合工件，在增材制造设备内的预成形件与底板之间自动找正，彻底避免用户失误，达到高精度。

总之，模具等制造领域在应用增材制造技术实现生产的过程中，需考虑整个生态系统，其中包括软件、增材制造设备和减材制造机床、粉料、自动化和工装夹具解决方案。有效和综合使用以上各项技术并将其集成为一体，改进设计和降低生产成本，才能在工业生产中充分发挥增材制造的潜力。

l 文章来源：GF加工方案

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两类应用均展示了选区激光熔化金属3D打印技术在打破传统制造工艺，实现复杂零部件设计创新、提升性能等方面的应用价值。

GF 增材制造中心-AMotion Center(上海)© GF 加工方案

 工业燃气轮机增材制造解决方案

增材制造技术是制造下一代更有可持续性的燃气轮机的关键技术。增材制造工艺最大程度地提高了设计灵活性，并能集成额外的功能，对于复杂轮廓的设计优化也无额外的成本，这使得部件的设计不再局限于传统技术的约束，从而为复杂燃气轮机部件创新与优化带来了更大的空间。

GF 从铸造工艺中积累了类似部件的长期经验，在此基础上建立了增材制造解决方案，为工业燃气轮机制造领域带来传统铸造工艺难以实现的复杂部件制造解决方案。

© GF 加工方案

在2021 TCT 亚洲展期间，GF 加工方案（7.1号馆H48展台）先进制造团队将从面向增材制造的燃气轮机部件设计优化，增材制造工艺，增材制造成品的性能等角度全面揭示GF 工业燃气轮机大尺寸零件增材制造解决方案。

© GF 加工方案

GF 开发的大尺寸增材制造燃气轮机部件具有高度集成的设计，将传统多达40个单独零件集成到一个设计中，并具有空心结构和超薄壁厚这样的极端形状。

该部件采用的增材制造设备为 GF 加工方案多激光器金属3D打印机 DMP Factory 500。该设备具有500x500x500mm的打印空间，既可以进行大型重型部件的增材制造，也可以打印大批量的小件（一次打印作业下的零件数量）。

 涡轮增压器增材制造解决方案

从近年来技术发展的趋势明显可见，金属增材制造正在部分替代精密铸造技术，成为制造复杂零部件的新方式。

© GF 加工方案

GF 加工方案将在TCT期间展示的3D打印涡轮增压器，是一种高温合金双壁涡轮增压器。该部件是针对赛车用户的需求而设计开发的。

赛车领域要求更复杂的涡轮增压器几何形状、几何特征和材质，熔模铸造是以前唯一可用的方法。而3D打印高温合金双壁涡轮增压器，采用一体成型的思路将蜗壳的结构设计成双层，中间的空气可以有效的隔绝散热，确保涡轮温度，这种设计在是无法通过传统工艺加工出来的。

© GF 加工方案

GF 加工方案通过软件，金属3D打印和后处理设备，以及专利设计的System 3R夹具，这三股平行工作流程，为涡轮增压器提供从设计到成品交付的完整增材制造解决方案。

GF 加工方案先进制造团队将分享这一完整增材制造解决方案怎样支持用户打破传统精密铸造工艺，并通过增材制造生产复杂金属零部件。

高温合金双壁涡轮增压器增材制造解决方案是由GF 加工方案 AMotion Center 应用中心（瑞士）针对用户需求开发的。2020年，GF AMotion Center 上海应用中心成立，为中国制造业用户推进增材制造应用，实现产品创新提供技术先进解决方案的支持。

l 文章来源：GF加工方案、3D科学谷

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因为模具行业的竞争十分激烈，而且增材制造模仁的成本不菲。

GF加工方案分享了一例来自著名模具与注塑生产制造商-东江模具的增材制造成功案例。案例展示了东江模具通过增材与减材相集成的完整工艺高效制作模仁，在降低整体制造成本的同时，还在提高工件质量方面发挥重大作用。

 《金属增材制造嫁接打印应用》

——模具企业怎样降本、提质、增效？

© GF加工方案

技术整合的重要性

 随形冷却的优势

毫无疑问，注塑成形是一种非常常见的成形方法，也是一种十分成功的生产工艺。注塑成形技术适用于生产热塑和热固塑料件，在生产中使用的模具为合金钢材质，通常，在批量生产情况下，注塑生产的周期数高达数百万次。注塑工艺是将熔融态的塑料注入到一个型腔中，型腔的形状近似于最终零件，塑料在注入到型腔后，快速冷却使工件硬化。

但是，冷却的时间必须足以将工件完全固化，确保工件在顶出时，工件的变形量能得到严格控制。因此，在注塑周期中，要使工件达到高质量，同时保持注塑周期的时间效率，冷却是关键。冷却液（通常为水或油）在模具中循环流动，用其冷却模具的表面，从而冷却模仁。

增材制造的冷却流道冷却注塑成形的表面，既随形冷却。实践证明，这是一种很有价值、可优化冷却条件的解决方案。 注塑面形状复杂，因此难以冷却。增材制造工艺可以在工件设计和生产中制造出传统加工技术无法生产的冷却流道。

用增材制造技术可以将冷却流道布置在与工件表面等距离的位置处，达到均匀冷却的效果，两个主要优点是：

•提高散热效率，缩短冷却时间，因此，缩短工件硬化所需的时间。

•均匀冷却工件，避免温度梯度不均导致工件翘曲和变形。

 模具增材制造完整工作流程的重要性

尽管已有大量文献指出增材制造技术具有冷却效率高的优势，但由于用户初期担心粉末性能、成本和在模具制造行业缺乏应用知识，增材制造的应用速度仍较缓慢。

通常，模具制造商的风险意识都较强，此外，也需要在生产注塑模中保持最低成本的优势，其中的压力相当大。如果在模具中使用增材制造的模仁，其优势十分明显，但同时也增加一定的成本。

因此，模具制造商必须向最终客户证明所增加成本的附加值。事实表明，生产模具也生产注塑件的公司采用随形冷却技术的比例较高。这些公司充分理解增材制造的价值，积极地将增材制造技术引入到生产流程中，体现增材制造的投资回报（ROI）价值，并随着增材制造工艺熟练程度的逐渐提高，逐渐加大增材制造技术的使用。

虽然增材制造技术日渐普及，但许多生产企业仍止步不前。使用增材制造技术的重大挑战之一是需要将增材制造工艺集成到已有的生产流程中。特别是在模具制造领域，增材制造的工件和模仁几乎全部都需要进行减材加工，只有这样才能满足对模具表面的极高表面质量要求。

因此，生产企业希望金属增材制造供应商提供完整工作流程的解决方案，包括从设计到成品件的交付，满足模具的高精度要求。只有将软件、增材制造机床、粉末、减材加工技术、自动化和工装夹具解决方案结合在一起，才能提供高效率的生态系统，降低成本和减少复杂性。

东江模具增材制造应用实践

 面向增材制造重新设计模具

总部位于深圳的东江模具公司，有37年模具设计和制造经验。东江模具既生产模具，也生产塑料件，他们快速把握金属增材制造技术的先机，投资增材制造设备，生产随形冷却的模仁。

图1 该案例介绍的最终塑料件的模型：用于在包装中固定智能手表的支架。© GF加工方案

东江模具选用了GF加工方案的减材和增材制造系统，用增材制造的随形冷却模仁优化工作流程。

东江模具案例中所涉及的端到端增材制造解决方案，已在GF 加工方案位于上海的AMotion Center 全面落地。扫描二维码，“码”上参与“Ask AMotion Center”与GF加工方案增材制造专家进行互动，并抢先看东江模具应用案例完整版。

由于既生产模具，也生产注塑件，因此，东江模具在用随形冷却的模仁生产最终注塑件方面的优势特别突出，包括高生产力和高质量，还能为其客户提供高效率的解决方案。

如果用传统减材法加工模仁且如果无法在合理成本情况下达到要求的产品质量和生产力，东江模具则选用增材制造技术生产这类模仁。

本文介绍的样件是一个用在包装行业十分普通的零件，尤其用在信息通信（ICT）行业的产品包装中。该塑料件用于智能手表包装盒中，用于支撑手表并将手表固定在包装盒内（图1）。

这是一款大批量生产的手表，因此，也需要大批量生产该款手表的包装和支架。为此，生产的挑战是成本和量产能力。此外，最终产品属于高价商品，要求支架达到相当程度的美观性。

这类包装件应用的挑战并非个案，类似的应用不胜枚举。对于这类应用，东江模具的三大生产挑战主要是：

•用传统模仁生产工艺无法满足量产能力和单件成本的目标要求。

•非随形冷却流道不能理想地控制温度。

•为提高冷却效果，用传统加工技术生产的模仁零件在组装中的成本过高。

为改进生产工艺，东江模具工程师重点改进关键模仁：这些模仁对注塑周期时间或塑料件质量的影响最大。在这方面，金属增材制造的投资回报率最高。

 高效率地将增材制造技术集成到模仁生产工艺中

GF加工方案开发了端到端的解决方案，帮助生产企业高效率地生产复杂金属零件。这套解决方案优化工作流程，无缝地将金属增材制造技术集成到现有的生产工艺中。

在东江模具的增材制造应用案例中，包含了GF 加工方案为其量身定制开发工作流程的每一个步骤，包括：设计、仿真与嫁接打印、成形后加工。

本期将分享设计与仿真流程。

l 设计

采用增材制造技术后，模具制造商可全新设计模具。必须保证设计的自由，包括逐层成形法和成形中使用的原材料，也即细金属粉。这两点要求对零件设计的限制非常少，主要限制是在悬垂部位、几何尺寸和粉料回收的便捷性。如果用增材制造方法生产随形冷却流道模具，只要在设计中遵守多年来成熟的设计原则，就能轻松克服这些限制。

首先，内冷道的尺寸和形状有设计限制。对于较大的悬垂部位，需要进行支撑，这些部位在增材制造完成后无法在模具内部去除。

图2 用传统减材技术生产的模仁流道© GF加工方案

因此，要限制内冷道直径的尺寸，要优先设计自支撑结构的内冷道（例如菱形、椭圆形或泪珠形等），要尽可能避免使用传统圆形截面的结构；通常，圆形的内冷道是用传统钻孔加工成形（图2）。

此外，模具制造行业的部分传统模具原则同样适用于增材制造的模具。特别是有关结构阻力的内冷道与工件壁间的最小距离，以及在整个内冷道长度上的压力下降和清洁便捷性（主要受内冷道截面尺寸、分支路径和数量的影响）。

在这些情况下，最小距离应足够大，要足以安全地将模具成形和为成形后加工保留余量。因此，从设计阶段开始，就能大幅降低风险。

按照以上原则生成的随形冷却流道在CAD软件上运行可能相对消耗时间。为此，专用的3DXpert®软件解决方案，特别是“模具设计模块”（Additive Moulding Add-on）是模具设计师和模具制造商的有力工具，用该工具可以显著提高工件质量，降低设计和生产成本。

用该软件模块可以创建随形冷却模仁，可以在需要的部位嫁接传统冷却和随形冷却。原因是该模块提供一套特别的功能，在仿真设计验证和模具设计验证阶段，节省用户的大量设计时间。

图3 3DXpert软件的“模具设计模块”提供的可选内冷道形状。模具制造商用该模块可生产随形冷却的模仁，可根据需要嫁接增材随形冷却部分到传统流道上。

© GF加工方案

•自动和手动生成随形冷却路径，也即在用户输入的一组数据基础上，即可生成冷却流道。轻松、快速创建冷却流道几何形状（图3）。

•分析冷却流道悬伸部位。

•分析和优化冷却流道与工件壁间的距离。

•在彩图中显示冷却流道与有效面间的距离 。

3DXpert提供多种工具，例如“热场图”，设计师用这些工具可快速评估冷却的均匀性和效率。这些工具不能完全取代模流分析，但可以帮助用户在生产初期快速评估设计质量。

图4 该模仁的随形冷却部分© GF加工方案

l 仿真

在增材制造机床上开始打印模仁前，通常需要进行模流分析，以发现可能的潜在问题。也用于判断优化的冷却流道的有效性，特别是是否需要提高温度均匀性，减少局部热点。

图5 传统冷却模仁与随形冷却模仁的温度分布图。在设计的初期阶段，设计师用3DXpert中的温度分布图工具快速评估冷却的均匀性和冷却效率。

© GF加工方案

在图6的左图中，我们可见模仁流道的外的温度分布。模仁中的流道用于输送冷却液，但由于分布不均匀，导致模仁的冷却效果不好。

在图5的右图中，我们分析了传统流道的热点区域，设计了新的随形冷却流道。从新的设计中，我们可以看到热点部位的温度有所降低，从96°C降低到86°C。更重要的是温度梯度更均匀，这是影响工件翘曲和变形的决定性因素。使用这个设计，在提高量产能力的同时，也会提高产品的质量。

如今，由于模流分析的不断完善，仿真的可靠性越来越高。以前，这类数据难以仿真，因此，用户很难在实际上机测试前，了解到设计的好坏。

设计师用仿真工具可以更好地预测实际冷却效果，提高设计可靠性，在模仁内设计随形冷却流道。在理论上，仿真工具可以验证随形冷道对注塑成形和最终塑料件的积极影响。东江模具在实际生产模具前，用这些工具向客户（内部客户或外部客户）展示随形冷却的好处。

在本案例的下篇中，3D科学谷将分享东江模具如何通过GF加工方案解决方案，实现智能手表包装盒零件注塑模仁的嫁接打印，怎样降低成本和提高效率，达到经济性，东江模具增材制造模仁达到了怎样的交付质量。敬请期待。

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尽管如此，由于用户初期担心粉末性能、成本和在模具制造行业缺乏应用知识，模具制造领域的增材制造应用速度仍较缓慢。通常，模具制造商的风险意识都较强，也需要在生产注塑模中保持最低成本的优势，模具制造商承担的压力相当大。如果在模具中使用增材制造的模仁，其优势十分明显，但同时也增加一定的成本。那么，是否可以既应用3D打印技术又降低模具整体成本呢？ 当然可以!嫁接打印工艺应运而生。

GF 加工方案在《金属增材制造嫁接打印应用》研讨会中，以模具应用为切入点，剖析了嫁接打印的应用意义、嫁接打印的挑战，嫁接打印底座材料及热处理，并分享了一种利用监控实现嫁接打印的新方法及应用案例。该方法对于实现嫁接3D打印部分与原模具准确对接，保证嫁接模具的质量具有重要意义。

©GF 加工方案

嫁接打印的最大障碍-定位

嫁接打印是指并非从零开始，而是在现有的材料上完成零件增材制造过程。底材一般是通过铣削加工减材制造，而在其上3D打印的部分是增材制造。所以，有些人也将这种制造方式称为混合制造。

在客户应用端，嫁接打印的需求从来都没有停止过，而且呈现增长趋势。嫁接打印最开始的发展是出于降低成本的考虑，比如在模具行业，只有在部分需要优化水路的部分采用3D打印随形水路，而在没有热量堆积的部分，使用传统的直水路，这样的混合制造可以有效的降低模具的制造成本。

随着3D打印应用类型的不断增加，有些模具制造用户意识到，如果用3D打印制造大块且密实的结构，不但打印时间长，而且内应力集中，零件中大块且密实的结构更适合减材加工。因此，对于这种零件，只在必要部分使用3D打印，也就是使用嫁接打印的呼声很高。

 两种不同材料能嫁接在一起吗？

了解焊接技术的用户能够了解嫁接打印的底材和嫁接材料应该是选用同一种材料。但是，在实际使用过程中仍然有很多困难。因为传统的材料，比如钢材的牌号非常多，而金属3D打印能使用的材料则非常少。那么不同牌号的钢材在嫁接后的强度是否能满足要求，成了客户较大的疑问。

粉末床3D打印需要使用基板完成制造。基板的使用实际上也是一种嫁接打印的过程，只不过嫁接底材相对面积大且平整。

从理论上说，当基板与零件使用同种材料，保证受热和冷却后材料的收缩率一致，零件才不会开裂。但是实践与理论有所不同，比如说在打印不同钢材和高温合金的时候可以使用钢基板，就说明绝大部分的钢材和可使用的高温合金材料在3D打印过程中收缩率差距不大。

在嫁接打印领域，也可以套用这个理论。并不是理论上认为的，只有同样的材料才可以嫁接在一起，实际上可相互兼容的材料范围更为广泛。

 定位

嫁接打印的技术难点在于定位。3D打印的工作面积要与底材完全重合，不然就会产生错位。如果零件内部有流道，定位错误会引起的流道错层，从而导致零件不能达到设计要求。对于要求高的零件，尺寸公差小于0.1mm才是有效的嫁接。

内部水路错位©GF 加工方案

在进行嫁接打印的过程中，除了XY方向的定位精度，Z轴的定位一直是易于被忽略的。对嫁接打印开展了一定探索工作的用户，自己开发的嫁接方式大多只兼顾了XY方向的定位，对于z轴的定位缺乏科学有效的手段，主要靠目测和手感。

平面度不好会导致局部融合问题©GF 加工方案

预埋深度定位不精确还是小问题，大部分开裂和漏水的原因还是底材的平面度没有调整好，导致嫁接后局部位置融合出现问题，导致应力集中引发的疲劳性失效。

接下来简要介绍几种常见的嫁接打印零件定位方式。

四种常见定位方式

有研发能力的制造用户纷纷开始自己着手开发解决方案。目前主流的方法主要有四种，分别是真空焊接、马克笔定位、胶水定位法和夹具定位法。

 真空焊接

焊接是最直观的解决方案开发的思路。焊接作为最传统的连接两个零件的方式，也自然成为最容易采用的解决方案。

真空焊接的混合制造零件©GF 加工方案

在众多的焊接方式中，真空焊接有着较为成熟的应用。通过高温高压将两个部件融合在一起，强度和精度都有很好的保证。但是，真空焊接的缺点是，要求两个部分都有较大的平行平面，才能通过机械压力将其结合。如果，零件结构不能满足要求，比如尖顶，就不能使用真空焊接的方式焊接。而且，真空焊接只能焊接一层，如果是多层的结构，一般都会出现疲劳性的问题。

 马克笔定位

马克笔定位法是将底材的表面用马克笔涂成黑色，然后装入设备，在不铺粉的情况下，使用激光烧结一层。被烧结的部分由于受热颜色挥发，漏出金属本来的颜色，没有被烧结到的地方仍然是黑色。通过不断的调整位置，最后完成定位。

将底材嫁接面涂黑©GF 加工方案

马克笔定位法与其说是一种定位的方式，不如说是一种验证的方式。用户通过穷举法不断的验证设计位置完成定位。虽然略显笨拙，但是十分有效。这个颇具艰苦时期革命浪漫主义气息的解决方案，在嫁接打印最初发展的几年立下了汗马功劳。其定位精度和效果可圈可点，现在仍然有不少用户在使用此方法。

 胶水定位法

马克笔定位法虽然有效，但是效率太低，一旦嫁接打印零件上量后，劳动强度较大。为了解决这个问题，快速实现底材定位，催生了胶水定位方法。

首先要将底材和要嫁接的部分当成一个零件去考虑。做成三维模型，用这个模型在基板上只打印1-2层，这样基板上就会留下底材底面的外轮廓（实际是有实体的，但是这种定位方法只需要轮廓）。再将底材用胶水粘在基板上，与这个轮廓重合。预埋调平后，让设备从嫁接层开始打印就完成了定位。

这种定位方式的好处就在于将两个零件作为一个零件考虑，一次操作就可以完成定位，不需要反复调整，减少了很多工作强度。

 夹具定位法

在减材加工和测量领域，零点定位是一个基本的概念。夹具也是在零点定位的基础上发展而来的成熟定位工具。

3D打印机在升降平台上基板的正中心也是XY=0的位置。那么通过设计专用的夹具，也是可以完成XY定位的。特别在一些量产的嫁接打印零件领域，用户自研夹具的比例非常高。而且，其夹具都是用3D打印机直接打印出来的，一次定位，反复使用。

GF加工方案增材制造专用夹具©GF 加工方案

GF加工方案专利技术3R系列增材制造专用夹具也是用户的首选，不仅可以快速的定位嫁接件，还可以直接衔接铣床，完成后处理减材加工的零点定位。

利用熔池监控系统实现孔定位

GF加工方案还为嫁接打印的应用开发了使用监控定位的解决方案，利用其金属3D打印设备（例如DMP Flex 350）中的熔池监控系统，用科学的方法实现快速、精确定位的目的。

目前基于选区激光熔化工艺的3D打印设备，监控系统大多由影像的铺粉质量监控和利用光电二极管收集热辐射数据的熔池监控两大主要系统组成。熔池监控不但能采集粉床上的热辐射数据，还能给出辐射点的XYZ坐标。使用监控定位底材正是应用了这个原理。

在这一方法中，实现定位先要在底材上钻一些定位孔，通过监控对孔进行定位，之后设备会计算出理论孔的坐标与实际坐标的偏差，在设备打印时，机器会自动修正这个偏差，最终实现高精度的定位和零件制造。

 定位步骤

1. 利用激光器定位单孔

©GF 加工方案

对孔周围的区域进行扫描，因为反射率的不同，监控识别出带坐标的孔位。

2. 定位多个孔位

©GF 加工方案

要实现定位必须要至少得到三个孔位的坐标，而且这三个孔位要成三角关系排列，不能再一条直线上。底材上的孔位越多，定位精度越高。

3. 使用设备自带软件进行结果偏差的拟合

激光器工作时会自动补偿这个偏差，从而完成嫁接打印。值得一提的是，监控不仅能定位XY坐标，还能定位Z坐标。如果底材的平面度不好，是可以从数据中发现，为用户提供判断依据。

有的用户可能会对在底材上钻孔有顾虑，但值得一提的是，这个定位法本身可以利用底材上现有的标识物，比如模具随形水路本来就有的孔。新钻的孔，也不需要填充，孔位处也可也通过设计来避免添加打印支撑结构。在广泛的强度和疲劳度测试中，并没有发现孔位对整体强度有影响。

GF 加工方案的熔池监控定位，有着很高的精度，可以轻松满足最严苛的0.1mm的偏差要求。实现简单，操作难度低。

GF 加工方案的上述嫁接打印解决方案，已在国内模具大厂东江模具的注塑模具生产中得到应用，3D科学谷将在近期分享东江模具如何利用GF嫁接打印方案提升注塑生产的整体效益，敬请关注。

GF 加工方案提出了从设计到成品交付的增材制造一体化加工流程，位于上海的GF AMotion Center 是对此完整解决方案的最佳示范。前往参考阅读《GF AMotion Center 在上海开幕, 以增材制造完整解决方案深耕中国市场》，了解更多。

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利用3D打印的异形水路和气路来改善模具质量，在整个注塑周期内降低成本的做法已经普遍被行业接受。但是，做为一种正在蓬勃发展的技术，3D打印应用仍面临着打印时间长、制造成本高的挑战。

那么，模具企业是否能够既利用3D打印的优势，又提高加工效率、降低增材制造（3D打印）成本呢？当然可以！“嫁接打印”应用应运而生！

1月19日
《金属增材制造嫁接打印应用》线上研讨会
©GF加工方案

嫁接打印快速、精准定位

简而言之，“嫁接打印”是将零件或模具中的3D打印部分直接打印在底材上，仅仅使用3D打印来制造复杂的结构。但是嫁接打印应用中存在诸多挑战。

 嫁接打印挑战

• 如何实现模具的装夹？
• 如何确保嫁接部分与原模具的准确对接？
• 怎样才能确保嫁接后模具的精度？
• 如何控制嫁接后模具的质量？
• 对后处理有什么影响？
• ……

2021年1月19日，下午14:00，GF 加工方案将在《金属增材制造嫁接打印应用》线上研讨会中分享一种利用监控实现嫁接打印的新方法，用科学的方法实现快速、精确定位。

 扫码报名参会

• 1月19日下午14:00
• 主讲人：蔡东海
• GF加工方案

长按上方二维码，即刻报名参会，了解GF加工方案创新性的嫁接打印解决方案！

l AMPOWER与3D科学谷正在合作面向全球欧洲、美洲、亚洲市场发布的2020年全球增材制造研发市场报告，欢迎中国企业积极参于有关3D打印领域设备、软件、材料的研发市场调查，敬请扫码参与调研。

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那么，在应用增材制造技术的过程中，模具制造用户遇到了哪些挑战呢？怎样才能帮助模具企业克服这些挑战，加速引入增材制造技术并借助3D打印技术提升竞争力呢？精密制造企业GF 加工方案结合中国模具制造用户的3D打印应用实际情况以及面向模具制造全流程而提出的增材、减材集成化解决方案，就这些问题进行了分享。

价值认知与技术的双重挑战

3D打印具有随形水路的模芯模仁可大幅缩短注塑周期，贴近产品表面的水路增加散热面积，可有效将模具因热分布不均匀的衍生问题降至最低。自这一技术在 2015 年商业化应用后，至今国内已有超过20 家企业配备共计 100 台以上的金属打印机，日夜生产模芯模仁，创造的行业总产值逾 1 亿人民币。但与高达3118.96亿人民币的国内模具市场规模相比，3D 打印应用仍处于产业化的初期[1]。

来源：GF 加工方案

那么，是什么原因阻碍了3D打印技术在模具制造中的迅速发展呢？关于这个问题，可以从两个层面来进行分析。一方面，企业对于3D打印模具的特定成本与产品生命周期认知不足，甚至只考虑到了3D打印工艺的高成本，而没有意识到这一技术在注塑零件质量、模具注塑周期等方面带来的附加价值。另一方面是对从传统减材技术向增材制造转型时可能会遇到的技术挑战的顾虑。

 特定成本与产品生命周期

首先来看3D打印模具制造的特定成本及产品生命周期。很多模具厂在了解到3D打印这个单一工艺的成本后就已经踟蹰不前，但实际情况是，通常我们并不会整套模具都使用3D打印，而是选取模具的模芯或者需要特殊冷却的零部件来打印，再将其做为镶件镶进模具。

来源：GF 加工方案

同时，虽然金属打印的随形冷却镶件制作成本增加了，但是整体工时是缩短的。另外，在实际生产中，相较于单个工艺成本，我们更需要关注的是整体效益。通过3D打印的随形冷却水路，我们能够实现冷却时间的缩短和模具温度的迅速平衡。在获得更好的产品质量的同时通过生产周期的缩短而获得更高的产量，实现更好的效益。另一方面，即使工厂对同一模具的产量需求保持不变，却仍可以将通过3D打印而节省的时间和人员投入来生产其它的产品，获得更高的投资回报。

 从模具制造全流程角度进行优化

还有的模具企业虽然认知到了引入3D打印技术的价值，但对采用新技术仍有诸多顾虑，例如：目前3D打印模具的精度仍然无法满足成品模具的要求，绝大多数3D打印模具都需要再进行后处理。怎样进行各工艺之间的无缝衔接，顺利将3D打印技术融入目前的生产流程，在最短的时间能运用这一技术为企业创造效益？

这一担忧也不无道理，因为生产工艺的融合度高低直接影响了使用成本。

现实状况是企业对于生产工艺的融合度一般较低，而模具工件多为三维曲面加工，一个稍微复杂的模具零件 60% 以上均要同时应用到 CNC 加工中心、EDM 电火花机、慢走丝等加工设备。当工件在各种不同的设备之间轮转时需要重新装夹和调校水平度以确保其精度，在传统加工中我们已经可以非常熟练的使用夹具来解决这个问题。而在3D打印的模具上，由于没有增材专用夹具，业内普遍使用人工调校工件水平度、手动找中心点的方式，而这一环节又十分依赖于人员的熟练程度并受工件大小及复杂程度的影响，一般耗时 10 – 30 分钟。试想当下使用 3D 打印技术较普遍的电子烟外壳模具，一个批次超过 100 个的需求并不罕见，若每个零件都需要花上 10 分钟定位， 浪费的时间则相当惊人。

在此期间后端的加工设备完全停用，很大程度上制约了单台机器的生产能力。针对这个问题，GF加工方案将其非常成熟的 System3R 夹具方案整合到 3D 打印设备中，为零件提供了基准点，省去零件在不同机床间轮转时繁琐费时的定位工作，提升生产效率。

来源：GF 加工方案

另一个顾虑则在于对3D打印技术是否成熟到可以保证产品质量及稳定性的质疑。从目前常见的模具打印时所遇到的难题来看，模具寿命、开裂、漏水、堵塞等常见问题仍在不同程度的影响着3D打印技术在模具上的应用。分析这些技术问题的成因，我们不难发现单从增材制造工艺上优化改善是不够的，更重要的是此工艺与其他流程的搭配，包含产品设计、模具设计、加工，材料研发、到后期的注塑工艺流程等环节。而习惯于使用传统工艺的模具用户们想要从短期内迅速转换到增材制造的全流程思维，并产出最大的效益着实有难度。

GF 加工方案AMotion Center

为了协助模具用户克服这一难题，缩短学习曲线，降低失败成本，用最短的时间掌握3D打印技术并开启应用，将这一技术引入企业内部从而提升竞争力。GF在中国上海建立了亚洲区第一个增材制造应用创新中心-AMotion Center, 将软件与硬件，增材与减材集成于一体，为所有希望探索3D打印技术应用的客户提供了一个平台及示范。

除此之外，GF加工方案还在华东、华南以及西南各区域建立了模具 3D 打印创新平台，平台中汇聚了模具头部企业、材料供应商、注塑机厂家、品牌用户，将促进模具制造上下游企业之间的深度合作。

只有从更宏观的新高度评估、审视生产流程上的每一环节，才能真正解决模具企业应用 3D 打印可能存在的问题，并推动这一技术的产业化进程。而GF加工方案打通增材制造工艺链各个环节，形成了增材、减材完整解决方案，旨在改善金属增材制造生态系统，并以扎实的技术专长为模具制造提供支持。

参考资料：

[1] 中国产业信息.《2019年中国模具行业市场发展现状及前景分析》。

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金属3D打印。来源：GF加工方案

随形冷却的渐进发展

 压力与挑战

l 计算投资价值

模具制造商通常承受着来自客户的巨大压力，要求以最低的价格制造模具。此外，虽然3D打印的模具镶件可以在交货时间、质量和生产率方面带来巨大收益，但从制造环节上通常会导致每个3D打印的镶件产生额外的制造成本。因此，模具制造商必须精确计算额外投资的价值并向最终客户证明。

 3D打印注塑模具成本效益分析及创新性应用。来源：GF

l 与常规模具制造工艺集成

限制金属3D打印技术在模具领域应用的最后因素是缺乏将其无缝集成到常规生产线中的解决方案，这也是3D打印在模具制造中应用的关键挑战。

因为在模具制造领域，增材制造的镶件需要经过后期的CNC数控加工来获得模具所需的高表面质量，金属3D打印技术与传统加工工艺的无缝集成势在必行。在集成的方案中，不仅要包括考虑到所有制造阶段的软件，还要提供全套的解决方案从而将3D打印设备、材料、CNC数控加工、夹具、自动化解决方案等多个要素结合在一起，组成了一个有效的制造生态系统，从而提高可操作性，降低成本和复杂性。

GF加工方案已瞄准了这一痛点，GF结合了多年的模具应用与金属增材制造的专业知识，为模具制造商开发了一套从软件到最终加工的完整解决方案。

金属3D打印。来源：GF加工方案

l 3D打印技术本身的挑战

基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印技术（LPBF）通常被用于加工随形冷却模具，这些模具的表面光洁度至关重要，因为它们将决定最终注塑零件的外观。因此，至关重要的是，在3D打印模具镶件时必须具有非常稳定的打印过程，以生产出高密度零件，从而在后加工后实现完美的表面光洁度，这些是3D打印技术本身最具挑战性的要求。

模具应用的另一个挑战是与增材制造工艺可以处理的材料相关，基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印技术（LPBF）本质上是焊接过程，模具中常用的通过淬火达到硬化状态的材料由于焊接性能较差而在大多数情况下不适合通过3D打印来加工。在3D打印模具制造中，通常使用不用于模具制造但可以满足模具需求的金属材料，最常见的材料是马氏体时效钢。

金属粉末供应商正在对新材料进行研究，以便满足模具的特定需求（硬度，耐腐蚀性等），同时仍可进行高质量的3D打印。

金属粉末。来源：GF加工方案

创新方案释放3D打印潜能

 混合型模具

虽然许多公司已经从随形冷却中获得效率提高的好处，但从经济可行性的角度考虑还需要开创一些创新的”混合零件“，尤其是对于需要大量材料的零件，因为增材制造的价格本质上与要打印的材料量有关。

为了克服这些挑战并将3D打印技术有效地集成到模具加工工序中，制造商可以通过预先加工“预成型件”，然后使用增材制造技术来在其基础上制造具有其增材制造特点的零件，从而优化这些模具镶件的制造经济性。

GF 加工方案与其合作伙伴3D Systems开发了独特的”混合零件” 制造方案，该方案将减材制造技术与增材制造技术相结合，能够以自动化的方式在瓶坯模具上进行高精度3D打印。

混合型模具镶件，在预成型件的顶部3D打印。来源：GF加工方案

 随形冷却应用

l 注塑模具

在过去几年中，金属3D打印技术在模具制造领域耕耘的应用以及研究都集中于随形冷却通道制造所带来的优势。典型的优势包括减少注塑模具注射成型的周期，金属增材制造技术所实现的冷却通道设计优化，释放了减少模具冷却时间的潜能，这一点已获得了普遍认可。但这并不是3D打印技术提升模具冷却性能所带来的唯一优势。

3D打印具有随形冷却通道的热流道。来源：GF加工方案

塑料零件的质量与注塑模具相关，尤其是如何实现均匀冷却和消除热点对最终塑料零件质量的影响很大。设计随形冷却通道的主要目的是获得恒定的温度梯度，从而避免收缩不均。这允许在注射过程之后更可重复的过程和更可预测的零件变形，同时还减少了通常需要补偿变形的机械工具调整的需求。消除了开发阶段常见的机械调整需求，从而减少了原型迭代，并加快了上市时间。

l 高压压铸模具

虽然金属3D打印技术的大多数模具用户都在注塑模具领域，但3D打印随形冷却技术的应用已引起了高压压铸企业的兴趣。

高压压铸过程中的喷涂工艺主要有两个目的：润滑以改善脱模性，以及作为喷涂介质起到冷却作用。工业上的发展趋势是尝试减少或消除喷涂步骤，而采用随形冷却设计是为了减少喷涂需求，延长模具寿命并保持铸件的质量，铸件的表面质量与铸模的表面质量相关。

3D打印带有随形冷却通道的模具。来源：GF加工方案

无论是注塑还是高压压铸，随形冷却设计和增材制造的结合通常都会简化模具设计。通过减少需要组装的部件的数量（称为组装加固），从而消除或减少密封的需要。所有的注塑车间都目睹了密封失效的后果，并且非常了解与冷却泄漏有关的停机事件。

目前，在使用3D打印模具镶件的注塑和高压压铸公司内部看来，金属3D打印技术用于随形冷却模具制造已经成熟。我们将越来越多的看到金属3D打印不再仅仅用于原型设计部门，而是在生产环境中使用。尽管如此，工业领域的投资决策是漫长的，并且是基于透彻的投资与回报思考。在这方面，GF加工方案开发的完整解决方案可改善金属增材制造生态系统，并以扎实的技术专长为模具制造提供支持。

3D科学谷Review

3D科学谷在《3D打印模具的价值怎么衡量？》一文中，分析了3D打印技术随形冷却模具中容易被模具制造用户所忽略的价值，包括材料的节约，后期机加工过程中对刀具磨损的减少，以及对机床占用成本的降低等等。因此，衡量模具的价值也从单纯评估模具的价格，转变为全生命周期（模具3D打印生产，后处理加工，注塑过程模具寿命，注塑成功率，产品质量等等），包含了各方面因素的附加值创造考量。

在3D科学谷的《案例看汽车零件压铸模具3D打印应用中的挑战与价值》一文中，则洞悉了3D打印技术在汽车零件压铸模具制造中的应用挑战、应用价值。

更多信息，请参考3D科学谷发布的《3D打印与模具行业白皮书2.0》-上篇》《3D打印与模具行业白皮书2.0》-下篇》。此外，3D科学谷将在近期分享中国模具制造企业在应用增材制造技术的过程成所遇到的挑战与痛点，以及增材、减材集成化模具制造解决方案能够为模具增材制造带来的价值，敬请关注。

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根据3D科学谷的市场观察，瑞士精密机床制造商 GF 加工方案正在推动在3D打印与其他制造工艺的融合。GF 加工方案围绕制造业用户实现高附加值产品制造的需求，打造了增材制造、减材制造全流程解决方案。

2020年10年16日，随着GF 加工方案位于中国上海的增材制造中心-“AMotion Center ”正式开幕，GF 加工方案的创新性全流程增材制造解决方案也将更深的植根于中国市场，为中国制造业用户推进增材制造应用，实现产品创新提供技术解决方案的支持。

GF 增材制造中心-AMotion Center

所展示的全流程增材制造解决方案

来源：GF加工方案

从设计到成品

 AMotion Center 落户上海

2020年10月16日上午，GF 加工方案 “AMotion Center 体验日暨技术研讨” 活动在GF 上海拉开序幕。

GF 加工方案中国区市场营销总裁陈以祥先生、上海增材制造协会秘书长曾绍连先生为本次活动致辞。

GF 加工方案中国区市场营销总裁陈以祥先生致辞

陈以祥先生表示，作为拥有百年历史的瑞士精密机床制造企业，GF 加工方案一直以来高度关注制造业客户的痛点与挑战，在增材制造领域也是如此。在GF加工方案增材制造中心-AMotion Center 开幕之际，GF 将就如何帮助中国用户迅速掌握增材制造技术交出自己的“答卷”。

陈以祥先生表示，在过去5年，GF不仅建立了增材制造专业技术团队、全球化的应用支持和服务网络，并且依托于应用工艺支持将自身在加工领域的优势与3D打印知名品牌3D Systems 的创新技术充分结合，研发出了增材制造线切割设备、适用于3D打印的专用夹具，并打通增材制造工艺链各个环节，使用户获得端到端的完整解决方案，AMotion Center 正是对此完整解决方案的最佳示范。

GF 加工方案中国区先进制造总经理黄志鸿介绍AMotion Center

GF 加工方案中国区先进制造总经理黄志鸿先生向在场的制造业嘉宾介绍了GF 加工方案增材、减材相结合的全流程解决方案，以及 AMotion Center 的使命。

GF 加工方案通过增减材工作流程的集成与优化推动增材制造应用技术向前发展。GF 增减材结合全流程解决方案覆盖了从设计到3D打印成品零件交付的全过程，包括设计、打印准备、打印、检测、NC 准备、铣削、切割分离、最终成品。

S3R夹具，当金属3D打印零件在各工艺间轮转时，起到快速、精准找基准的作用。来源: GF加工方案

GF 增材制造解决方案中所包括的产品及服务体系包括：增材制造设备、增材制造粉末、3DXpert 软件、后处理方案（CUT AM 500线切割、S3R夹具、GFMS 加工中心）AMotion Center。

GF AMotion Center 中的金属3D打印设备

这一全流程解决方案在位于中国上海的 GF 加工方案增材制造中心-AMotion Center 得到了全面体现。“AMotion Center ” 的全称是“Additive Manufacturing+Motion” ，具有增材制造+动力的涵义。

GF AMotion Center 中的3D打印后处理设备，左图为GFMS 加工中心，用于金属3D打印零件铣削后处理，可去除支撑结构、精加工；右图为增材制造专用自动化线切割设备CUT AM 500。

黄志鸿先生介绍到，AMotion Center 的使命是为金属增材制造领域提供完整而卓越的价值链，将为中国制造业用户提供：培训、样件打印、应用支持与打印服务。

GF 加工方案拥有专业的培训队伍与系统的培训计划。对于制造业用户的样件打印需求，AMotion Center 将提供高质量的样件打印、标准及可追溯的流程。应用支持包括7/24小时热线支持及技术指导，应用支持，工艺开发，认证支持。在工艺开发方面，GF 加工方案已开发国产金属3D打印粉末材料，以适应中国客户的需求。在认证支持领域，例如医疗骨科植入物产品的认证，GF 将为中国用户共享国际上获得FDA 认证的成功经验与know-how。

AMotion Center开幕仪式

在接下来的环节中，GF 加工方案举行了AMotion Center开幕仪式。通过 AMotion Center 所带来的全流程增材制造解决方案，GF 加工方案将进一步携手中国制造业用户共同推动增材制造技术在模具、航空航天、医疗、汽车等领域高附加值产品制造中的应用。

 增材制造技术研讨会

10月16日下午，GF 加工方案举行了技术研讨会。

研讨会主题

• 优化金属增材工艺流程的集成方案
• 金属增材制造技术应用实例分享
• 一站式增材制造专用软件解决方案
• 拓扑优化助力增材制造设计
• 模流分析在模具设计中的应用

《优化金属增材工艺流程的集成方案》

在主题为《优化金属增材工艺流程的集成方案》的演讲中，GF 加工方案销售经理钟祐良通过卫星支架增材制造生产案例分享了GF 从设计到成品交付的增材制造一体化加工流程。

增材制造七步走。来源：GF 加工方案

GF加工方案提出了“增材制造7步走” 的完整金属增材制造技术生产流程，卫星天线支架增材制造案例也是按照这7个步骤去一一分解，体现完整的金属增材制造技术生产流程，从软件的设计和准备，到打印设备的打印，再到质量控制，以及后续的铣削加工和线切割。用最先进的理念，重新定义零件制造！

在以上一体化加工的全流程中，一套软件与一套专用夹具起到了衔接作用。软件是指3DXpert 软件，该软件支持包括设计、增材、减材等环节在内的所有步骤；夹具是指GF 专利技术的S3R夹具，由一套夹具适配所有的增材、减材、线切割设备，当3D打印零件在各工艺间轮转时，起到快速、精准找基准的作用。

《金属增材制造技术应用实例分享》

在题为《金属增材制造技术应用实例分享》的演讲中，东江模具的肖文利先生分享了东江模具金属3D打印随形冷却模具的应用案例，以及在应用研究过程中所开展的打印件性能测试、3D打印随形冷却模具经济效益分析结果。

东江模具从2014年开始接触3D打印技术，在金属3D打印模具的应用创新上已取得了瞩目的成绩。2017年12月-2020年9月，东江模具的金属3D打印工件总数达1340个，打印次数339批次，模具运用约300套。

东江模具开发了众多3D打印随形冷却模具应用，其中包括嫁接打印应用，受益于GF 加工方案的增材制造专用夹具，在进行嫁接模具3D打印时能够实现快速精准定位。

3D Systems 公司与Altair公司的演讲分享

接下来的三个演讲主题与软件及增材制造设计相关。3D Systems 公司分享了在GF 全流程增材制造解决方案中贯穿始终的3DXpert 软件。Altair 公司分享了Altair Inspire 软件在面向增材制造的拓扑优化、内嵌点阵、力学验证、工艺规划、工艺验证中所起到的作用。在研讨会的最后，马路科技分享了模流分析软件Moldex 3D在异形水路设计中的应用。

作为GF 加工方案在亚洲的首个增材制造中心，2020年10月16日正式开启的AMotion Center 是GF 加工方案在增材制造领域进行探索的重要里程碑，也展示了GF（乔治费歇尔 ） 集团对中国市场的重视以及对增材制造领域的信心。

一个半世纪以来，GF 一直是技术的创新者，利用不断拓展的技术和应用帮助客户成长，增强客户的竞争力。我们期待着GF 加工方案及AMotion Center 在增材制造领域所为中国制造业用户带来的创新性技术与支持。

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