带内冷冷却通道的3D打印刀具
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根据3D科学谷，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，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。

刀具细分
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 更大的灵活性

其中Kennametal肯纳金属于2021 年 9 月 13 日宣布推出 KAR85-AM-K，这是其用于金属增材制造的最耐腐蚀的碳化钨牌号。它可与 Kennametal 的粘合剂喷射 3D 打印功能结合使用，以生产完整的耐磨部件。通过 KAR85-AM-K，Kennametal 将 3D 打印的优势（例如更大的设计灵活性和更短的交货时间）与传统硬质合金的性能相结合，为石油和天然气、发电等领域的客户生产高性能零件。使用新等级制造的组件已经在与选定的客户进行现场试验。根据3D科学谷的市场观察，肯纳金属通过粘结剂喷射3D打印技术成就了结构更加复杂、带冷却内流道的硬质合金刀具。

粘结剂喷射金属3D打印技术
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Binder Jetting粘结剂喷射3D打印技术是通过材料喷射和烧结工艺的相互结合来生产完全密度的金属零部件。成本较低的设备也意味着零件成本大大降低，大批量成本较低的零部件是走向生产的关键要素。粘结剂喷射金属3D打印技术有可能取代小批量，高成本的金属注射成型，还可以用于生产其他领域复杂而轻便的金属零件（例如齿轮或涡轮机叶轮），大幅降低3D打印成本，并缩短交货时间。

粘结剂喷射金属3D打印的阀笼
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在Binder Jetting粘结剂喷射3D打印过程中，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结剂，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。这些3D打印的硬质合金模具比传统方法生产的模具具有更大的几何槽形自由度，可以制成更复杂的几何形状。

粘结剂喷射金属3D打印的硬质合金流量控制堆栈
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 端到端的解决方案

根据3D科学谷的了解，传统加工工艺， 通常通过将碳化钨粉末均匀地压在柔性袋中来制造具有高纵横比的大尺寸硬质合金工件或碳化物工件（例如立铣刀和钻头刀柄）。虽然均压法的生产周期比成型方法长，但是该工具的制造成本较低，因此该方法更适合于小批量生产。

硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型来形成。挤出工艺更适合于轴对称成形工件的大规模生产，而注塑工艺通常用于复杂形状工件的大规模生产。在两种模塑方法中，碳化钨粉末的等级悬浮在有机粘合剂中，这赋予碳化钨混合物如牙膏的均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模塑成模腔。碳化钨粉末等级的特征决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例，并且对混合物通过挤出孔口或进入模腔的流动具有重要影响。

通过模塑，均压，挤压或注塑成型工件之后，需要在最终烧结阶段之前从工件上除去有机粘合剂。烧结去除工件中的孔隙，使其完全（或基本上）致密。在烧结时，压制成形工件中的金属结合变成液体，但是在毛细力和颗粒接触的共同作用下工件仍然可以保持其形状。

烧结后，工件的几何形状保持不变，但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸，在设计工具时需要考虑收缩率。在设计用于制造每个工具的碳化钨粉末等级时，必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。

从原材料到设计再到制造，肯纳金属已经可以为批量生产零件提供端到端增材制造解决方案。凭借提供全致密硬质合金3D打印部件的能力，肯纳金属已迅速成为增材制造领域的领导者之一。

粉末床金属3D打印的带内冷的镗刀夹持机构
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此外，肯纳金属将差异化的金属粉末与粘接剂喷射以及激光粉末床3D打印技术与打印后处理方面的制造专业知识相结合，以更快地生产成品部件和模具，从而减少停机时间并提高性能。

粘结剂喷射金属3D打印的硬质合金刀具
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国内，升华三维在致力于高温合金、难熔金属等特种金属及特种合金零部件灵活定制设计制造的同时，正升级为面向钨部件高密度、大尺寸、规模化生产的卓越3D打印解决方案提供商。

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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在 GE Additive 的 Beta 合作伙伴计划的所有合作伙伴中，肯纳金属- Kennametal无疑是独具特色的。

根据3D科学谷，Binder Jetting是一种粘结剂喷射打印技术，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结剂，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。这些3D打印的硬质合金模具比传统方法生产的模具具有更大的几何槽形自由度，可以制成更复杂的几何形状。

粘结剂喷射3D打印

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 大批量、低成本3D打印

早在2017 年，GE 增材制造就宣布GE一直在开发一种金属粘结剂喷射3D打印技术，该技术将能够实现大批量、低成本的增材生产。

根据3D科学谷的了解，面向量产，GE于2020年还发起了合作伙伴计划，通过共同开发并共享知识，以充分实现增材制造所带来的变革性收益。目前的合作伙伴已经包括康明斯、西屋制动和山特维克。这些合作伙伴通过GE的粘结剂喷射金属3D打印针对特定的垂直领域：康明斯用于发电和汽车，西屋制动用于铁路，山特维克用于采矿等方面。

作为该计划的最新成员，工业技术公司肯纳金属也不例外，肯纳金属以其在材料科学、刀具和耐磨解决方案方面的专业知识而闻名。

GE粘结剂喷射金属3D打印
© GE

肯纳金属-Kennametal 的碳化钨和 Stellite™（钴铬合金）合金以其卓越的耐磨性、耐热性和耐腐蚀性能而著称。作为该合作伙伴计划的一部分，肯纳金属将专注于将这些高性能、耐磨和耐腐蚀的材料系列优化到增材制造平台，以提供具有复杂设计、更短交货时间和更高性能的完整组件，这是传统方法无法实现的。

 突破传统工艺的限制

根据3D科学谷的了解，传统加工工艺， 通常通过将碳化钨粉末均匀地压在柔性袋中来制造具有高纵横比的大尺寸硬质合金工件或碳化物工件（例如立铣刀和钻头刀柄）。虽然均压法的生产周期比成型方法长，但是该工具的制造成本较低，因此该方法更适合于小批量生产。

硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型来形成。挤出工艺更适合于轴对称成形工件的大规模生产，而注塑工艺通常用于复杂形状工件的大规模生产。在两种模塑方法中，碳化钨粉末的等级悬浮在有机粘合剂中，这赋予碳化钨混合物如牙膏的均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模塑成模腔。碳化钨粉末等级的特征决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例，并且对混合物通过挤出孔口或进入模腔的流动具有重要影响。

通过模塑，均压，挤压或注塑成型工件之后，需要在最终烧结阶段之前从工件上除去有机粘合剂。烧结去除工件中的孔隙，使其完全（或基本上）致密。在烧结时，压制成形工件中的金属结合变成液体，但是在毛细力和颗粒接触的共同作用下工件仍然可以保持其形状。

烧结后，工件的几何形状保持不变，但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸，在设计工具时需要考虑收缩率。在设计用于制造每个工具的碳化钨粉末等级时，必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。

影响刀具寿命的因素
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熟悉Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的业界人士不难发现，传统注塑成型工艺制造的硬质合金工件流程中的脱脂，烧结过程与粘结剂喷射金属3D打印技术所需要的后处理过程是一致的，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。

根据3D科学谷的市场观察，目前在刀具制造中应用的3D打印技术主要有两种。一种是LPBF选区激光熔化3D打印技术，用于制造金属刀具特殊的槽形或者刀具内部复杂的冷却通道；一种是3D科学谷在之前的文章中提到的3DP粘结剂喷射技术。

刀具3D打印与刀具制备
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与PBF基于粉末床的选区激光熔融金属3D打印工艺相比，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术具有几个关键优势：更具经济性的粉末材料（类同于MIM工艺所用的金属粉末材料）；不需要支撑结构；高效的打印速度适合大批量生产应用，从汽车、飞机零件到医疗应用。

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术与几乎所有其他金属3D打印工艺相比都是独一无二的，因为在3D打印过程中不会产生大量的热量。这使得高速打印成为可能，并避免了金属3D打印过程中的残余应力问题。

粘结剂喷射3D打印技术是通过材料喷射和烧结工艺的相互结合来生产完全密度的金属零部件。成本较低的设备也意味着零件成本大大降低，大批量成本较低的零部件是走向生产的关键要素。粘结剂喷射金属3D打印技术有可能取代小批量，高成本的金属注射成型，还可以用于生产其他领域复杂而轻便的金属零件（例如齿轮或涡轮机叶轮），大幅降低3D打印成本，并缩短交货时间。

 3D打印释放竞争优势

有趣的是，肯纳金属并非是第一次尝试金属3D打印，除了粘结剂金属3D打印技术之外，此前，肯纳金属就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。

肯纳的这款3D打印刀具经过不断的设计迭代，与第一代刀具相比，重量进一步减轻了 20%，带有碳纤维主体的 3D 打印定子钻孔刀具重 7.3 公斤。

3D打印-增材制造为刀具实现了复杂内部和外部特征。根据3D科学谷的了解，翼型臂确保无忧的排屑，该臂通过冷却液确保精确和强大的冷却液供应到切削刃和导向垫。用传统制造方式经济地生产这将是困难或不可能的，但3D打印使肯纳能够实现甚至如此复杂的内部特征。此外，肯纳金属 RIQ 铰孔系统具有易于直径调整和无故障安装新刀片的特点。

无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是LPBF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。

知之既深，行之则远，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，有关刀具增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的《3D打印与金属切削刀具白皮书》。

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根据3D科学谷的了解，肯纳的这款3D打印刀具经过不断的设计迭代，与第一代刀具相比，重量进一步减轻了 20%，带有碳纤维主体的 3D 打印定子钻孔刀具重 7.3 公斤。

3D打印刀具
© 肯纳

更精确的孔

根据3D科学谷，无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是LPBF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。

 更简单、更方便、更精密

镗孔加工刀具的作用是将工件上原有的孔进行扩大或精化，其特征是修正下孔的偏心、获得精确的孔的位置，取得高精度的圆度、圆柱度和表面光洁度。镗孔加工作为一种高精度加工法往往被使用在最后的工序上。例如，各种机器的轴承孔以及各种发动机的箱体、箱盖的加工等。与其它机械加工相比，镗孔加工是属一种较难的加工。随着加工中心的普及，现在的镗孔加工只需要进行编程、按扭操作等。正因为这样，就需要有更简单、更方便、更精密的刀具来保证产品的质量。

新能源汽车的零部件通常通过更小、低马力的CNC加工中心加工的，这类加工中心需要更轻的加工刀具。肯纳的3D打印刀具仅重 7.3 公斤，为了确保在加工中心上快速更换刀具， Kennametal 推出了下一代 3D 打印刀具，用于加工电动汽车的铝制壳体，满足铝电机主体镗孔加工的精度、圆度和表面光洁度的需求。

3D打印刀具
© 肯纳

该刀具的最新版本具有全新设计的臂结构、更大的碳纤维中心管，并且比原始设计进一步减轻了 20% 以上的重量。这种复杂的刀具能够在一次操作中加工三个大直径的孔，为汽车零部件制造商节省设置时间和加工时间，并提供最高的精度和表面质量。

翼型臂内部有冷却液流动孔

© 肯纳

新设计的刀具最近根据读者和行业专家的投票获得了 MM MaschinenMarkt 的生产和制造类别的最佳行业奖。肯纳通过利用 3D 打印等先进制造技术，改进了切屑控制并提高了刀具刚性——这些创新可以帮助电动汽车行业更快、更高效地加工。

左侧为第一代设计(9.5千克)，右侧为最新的刀具改进设计
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在一次操作中加工三个直径，3D打印刀具确保加工表面的对准直线度和同心度，同时显着减少加工节拍。轻巧的3D打印组合刀具即使在功能较弱的机床上也能实现更快的刀具更换和旋转。

翼型臂采用贯穿式冷却液和 RIQ 铰孔技术，3D打印-增材制造为刀具实现了复杂内部和外部特征。根据3D科学谷的了解，翼型臂确保无忧的排屑，该臂通过冷却液确保精确和强大的冷却液供应到切削刃和导向垫。用传统制造方式经济地生产这将是困难或不可能的，但3D打印使肯纳能够实现甚至如此复杂的内部特征。此外，肯纳金属 RIQ 铰孔系统具有易于直径调整和无故障安装新刀片的特点。

 提升刀具性能的3D打印技术

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。

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国内切削刀具行业起步较晚，但是随着汽车、航空、军工、模具、制冷、电力等精密制造业的快速发展，近年来行业实现了跨越式发展。根据前瞻产业研究院，中国切削刀具行业消费市场规模保持在400亿元左右，金属切削刀具主要包括硬质合金刀具、高速钢刀具和其他刀具(包括陶瓷刀具、超硬刀具等)。其中高速钢刀具和硬质合金刀具在我国切削刀具市场中占据重要地位。

随着现代制造业的蓬勃发展以及国家政策的鼓励扶持，我国数控刀具行业涌现出了诸如株洲钻石、厦门金鹭、上海工具厂、天工国际、森泰英格、恒锋工具、沃尔德等为代表的优秀企业，上述企业的部分重点产品在核心参数上已经达到国际水平。前瞻产业研究院

根据3D科学谷的市场观察，目前在刀具制造中应用的3D打印技术主要有两种。一种是LPBF选区激光熔化3D打印技术，用于制造金属刀具特殊的槽形或者刀具内部复杂的冷却通道；一种是3D科学谷在之前的文章中提到的3DP粘结剂喷射技术。

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根据3D科学谷，目前金属材质的刀具可以通过LPBF选区激光熔化3D打印技术来实现复杂的内冷却流道和复杂的槽型外型。硬质合金刀具则可以通过3DP粘结剂喷射打印技术来实现结构一体化制造。

3DP是一种粘结剂喷射打印技术，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结剂，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。3D科学谷了解到这些3D打印的硬质合金模具比传统方法生产的模具具有更大的几何槽形自由度，可以制成更复杂的几何形状。

无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是LPBF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。

知之既深，行之则远，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，有关刀具增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的《3D打印与金属切削刀具白皮书》。

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肯纳金属3D打印镗孔刀具

 实现轻量化与复杂的设计

镗孔加工刀具的作用是将工件上原有的孔进行扩大或精化，其特征是修正下孔的偏心、获得精确的孔的位置，取得高精度的圆度、圆柱度和表面光洁度。镗孔加工作为一种高精度加工法往往被使用在最后的工序上。例如，各种机器的轴承孔以及各种发动机的箱体、箱盖的加工等。与其它机械加工相比，镗孔加工是属一种较难的加工。随着加工中心的普及，现在的镗孔加工只需要进行编程、按扭操作等。正因为这样，就需要有更简单、更方便、更精密的刀具来保证产品的质量。[1]

新能源汽车的零部件通常通过更小、低马力的CNC加工中心加工的，这类加工中心需要更轻的加工刀具。肯纳金属推出的3D打印镗孔刀具的重量仅为传统镗孔刀具的一半，同时仍满足铝电机主体镗孔加工的精度、圆度和表面光洁度的需求。

肯纳金属3D打印镗孔刀具

可容纳新能源汽车电机定子的主孔直径约为250毫米，长度约为400毫米，底部具有较小的轴承孔。当使用常规刀具进行加工时，刀具重量往往超过25千克，这个重量对于机床以及刀具操作人员来说都很重。

肯纳金属借助内部增材制造之力，制造了3D打印的可转位刀具，刀具中集成了冷却通道，这一设计将有助于提高生产率和刀具寿命。此外，该刀具还配备了肯纳金属高精度精加工的精细可调RIQ铰孔刀片和用于实现最大刚性的KM4X适配器。

肯纳金属未来制造部门表示，3D打印镗孔刀具的设计与制造应用了有限元仿真以及粉末床金属3D打印技术，该刀具的惯性矩非常靠近主轴端面，能够在满足新能源汽车零部件加工客户对于重量需求的同时提高其刚性，这是肯纳金属如何使用金属3D打印等先进制造技术为机械加工客户提供制造解决方案的一个很好的例子。

肯纳金属3D打印镗孔刀具的两种不同版本

目前这款镗刀有两个版本，一种装有碳纤维管（如上图右图所示），重量为9.5千克；另一种装有3D打印金属管（如上图左图所示），重量为10.7千克。

根据3D科学谷的市场观察，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。

肯纳金属增材制造零部件

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。

 3D科学谷Review

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。

3D打印与刀具制造
来源：3D科学谷《3D打印与金属切削刀具白皮书》

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。刀具制造企业肯纳金属在持续研发刀具系列产品的同时也搭建了增材制造业务，基于粉末床与粘结剂喷射两种金属3D打印技术提供复杂零部件直接制造的服务。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。

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