随着全球制造业向 “多品种、小批量、快迭代” 转型，传统工装夹具依赖的CNC 加工、铸造等工艺，逐渐暴露出门槛高、周期长、定制化成本高、设计灵活性不足等痛点，难以适配当下市场对快速响应与柔性生产的需求。

联泰科技3D打印工装夹具案例

《2025 年中国工装夹具行业市场规模及投资前景预测分析报告》指出：“2024年中国工装夹具市场规模达487.6亿元，同比增长11.3%，其中汽车、电子制造领域合计占比63.7%，新能源相关需求贡献显著增量”。

随着全球化竞争加剧，企业不仅追求工装夹具的高精度与高稳定性，更将 “快速交付、柔性适配、成本可控” 列为核心诉求，传统制造模式已难以满足多元化需求。

而增材制造技术凭借 “逐层堆积” 的核心原理，成功突破了传统减材工艺的结构限制与流程束缚，为工装夹具制造带来了革命性变革。作为20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术，其核心逻辑是通过三维软件构建目标模型，经切片软件处理后，以激光、电子束、特殊波长光源等为能量源，将金属、非金属、复合材料甚至生物材料逐层堆积成型，成型尺寸可覆盖从微纳米元器件到10米以上大型结构件，适配场景极具广度。目前已形成熔融沉积造型、立体光刻、数字光处理、选择性激光烧结、选择性激光熔化等9种基本工艺体系，每种工艺均能针对工装夹具的不同性能需求提供精准适配方案。

联泰科技3D打印工装夹具案例

联泰科技针对增材制造技术在工装夹具领域的应用展开深度发力，特此推出《联泰科技增材制造工装夹具应用解决方案》：

解锁快速、柔性、经济的工装夹具制造方案

3D打印技术正从 “工具替代” 向 “生产逻辑重构” 演进，彻底改变了工装夹具行业的成本结构、交付周期与设计理念。其在降本增效、柔性制造、数字化协同、绿色环保等方面的核心优势，使其成为制造企业应对市场变化、提升核心竞争力的关键支撑。

从技术选型到流程落地，从材料匹配到质量管控，科学的应用策略是发挥3D打印价值的核心。

未来，随着技术的持续迭代与生态的不断完善，3D打印工装夹具将向更精密、更智能、更经济的方向发展，为制造业高质量发展注入持续动力。

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当整车轻量化成为法规要求与市场竞争的关键，铝合金在车身应用比例持续提升，一体化压铸技术正成为实现结构精简与效能突破的重要路径。在此背景下，压铸模具已从传统成型工具转变为决定技术落地规模与成本的核心环节——尤其在大尺寸、高寿命、高效热管理的模具镶件制造上，谁掌握可靠解决方案，谁就能在轻量化供应链中占据主动。

在本期3D科学谷分享的压铸模具案例中，弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）与其材料合作伙伴MacLean-Fogg及丰田汽车共同开展了一个复杂压铸模具镶件制造项目，验证了一款采用激光粉末床熔融技术和增材制造专用的新型模具钢材料制造的大尺寸增材制造模具镶件，在系列测试中表现出优于传统H13模具的服役寿命。这一项目证明，增材制造不仅可用于实现随形冷却，也具备制造大型、高承载的压铸核心部件的能力，为发展更大吨位的压铸模具提供了可借鉴的工艺参考。

 汽车行业转型带来的模具挑战

汽车行业正处于深刻转型期。成本压力与电动化转型正迫使制造商从根本上重构车辆架构与生产流程。当前趋势是减少冲压单件数量，追求以更少、更复杂的结构件实现集成。对于大型铝构件（如车身框架或传动部件），这同时提高了对模具的要求：模具需具备更高的耐热性、支持变体设计，并能快速适应新几何形状。

这一变革带来了新挑战：所需铸模不仅尺寸更大，还需具备更强的抗性、更复杂的几何造型与更短的开发周期。Fraunhofer ILT研究所与粉末材料供应商MacLean-Fogg及终端用户丰田的合作项目，正致力于解决这些难题。

© Fraunhofer ILT
增材制造大体积压铸模具随形冷却镶件，材料L-40模具钢

通过采用Fraunhofer ILT研究所开发的、具有可扩展成型空间的龙门式激光粉末床熔融增材制造设备，以及专为增材制造研发的L-40模具钢，实现了带近轮廓冷却通道的大型压铸模具增材制造——该技术适用于大体积高压压铸部件。

 克服大尺寸压铸模具增材制造挑战

随着大型铸造工艺日益普及，高压压铸对模具的要求不断提高。模具必须在极高产量下持续保证零件精度，并承受极端的机械与热载荷。为确保模具镶件具备足够使用寿命，需要为其设计复杂的内部冷却结构，而传统制造工艺无法实现此类结构。

此前，两大关键问题为增材工艺制造此类大尺寸压铸模具带来了挑战。其一，传统激光粉末床熔融设备难以一体成型尺寸达600 x 600mm²或更大的模芯；其二，现有模具钢（如H11、H13或M300）难以在此尺寸范围内实现稳定加工，即使在最优工艺参数下，仍存在开裂、热变形及机械性能不足的风险。

这些问题在激光成形过程及后续热处理中均会出现。制造过程中构件内部温度梯度越大，风险越高，并且这一效应在大体积工件上尤为显著。

© MacLean Additive

为此，项目团队需要针对大尺寸高压压铸模具需求的开发新一代设备与材料。他们通过新设备与材料实现了带自由形态冷却结构的大体积模具制造。这不仅可针对性降低铸造过程中的局部温度峰值，还能在提升模具寿命的同时为实现柔性化生产创造条件。这意味着模具基础平台可长期使用，仅需通过更换通过增材制造、集成有定制化冷却系统的核心功能模块（如型芯或型腔镶块），即可在同一套模具平台上快速切换，生产不同结构或尺寸的铸件，从而避免为每个新零件重复制造整套模具所产生的巨大成本与时间投入。

 可扩展的增材制造设备

为此，Fraunhofer ILT研究所对其开发的五激光粉末床熔融设备进行了升级，升级后设备成型尺寸达1000 x 800 x 350 mm³。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，可在相同工艺边界条件下沿设备轴线线性扩展成型空间。本项目中通过该设备制造的镶件体积超20,000cm³，尺寸达515x485x206mm³。设备的可扩展属性，意味着未来可制造更大的模具镶件。

© Fraunhofer ILT

Fraunhofer ILT研究所可扩展增材制造设备可实现体积超过20,000 cm³的复杂高强韧模具的可重复制造。

为降低对大体积模具至关重要的温度梯度影响，团队还开发了可加热基板模块。成型平台现可加热至200°C，使每沉积层仅冷却至预设热平衡温度，而非室温。该方法显著降低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相结合，使该系统成为全球首批适用于经济化生产近净形压铸模具的激光粉末床熔融设备之一，甚至可用于超大型铸造。

这一大型压铸模具制造案例中采用的增材制造L-40材料在制造与热处理过程中开裂倾向显著低于传统工具钢。即使在沉积态下，L-40仍具备高尺寸精度，并在硬度、抗拉强度与冲击韧性方面表现优异。全面测试已成功验证了工艺参数向新设备平台的转移适应性及其在复杂几何结构中的性能表现。

总体而言，可扩展激光粉末床熔融设备与专用材料的结合，实现了带随形冷却通道的大尺寸压铸模具的经济化、可重复生产。初步应用表明，此类模具的使用寿命较传统模具显著延长。

 量产模具的混合制造方案

在项目框架内，合作方为丰田已量产的变速箱壳体制造了增材制造模具镶件。该压铸模芯包含传统加工无法实现的复杂随形冷却通道。

© Toyota Europe

这套增材制造的铝合金压铸模具，是丰田雅力士混合动力车型变速箱壳体专用模具的组成部分。该技术被应用的原因在于其尺寸规模，以及传统钎焊工艺难度大、维护耗时长的技术挑战。

项目团队采用混合制造方案：在有垂直冷却通道的特制预制坯上进行增材制造。两个组件的精确定位与可靠连接对设备校准、精度与过程控制提出极高要求。此类混合结构能进一步缩短制造时间、降低成本，因为高成本的激光粉末床熔融工艺仅用于传统工艺无法加工的区域。

研究团队设计的复杂冷却系统可确保模具关键区域在压铸过程中有效控温，从而降低热负荷，显著延长模具寿命。在前期项目中，类似增材制造模具的使用寿命已达传统H13材料模具的四倍。

© Fraunhofer ILT

传统模具与增材制造模具使用寿命对比显示：经优化的随形冷却通道能针对性调控关键区域温度，显著降低热负荷，从而延长模具寿命。在早期项目中，增材制造模具的使用寿命已实现接近四倍的提升。

高压压铸模芯打印完成后，经过去应力退火，其功能表面采用常规铣削精加工。增材制造基体的高尺寸精度仅需进行精密终加工。

 为汽车行业开创高效耐用铸模新路径

采用增材工艺制造大尺寸铸模，直击当前汽车生产（特别是电动化转型背景下）的多重挑战。核心优势在于通过3D打印实现可自由设计的随形冷却通道可精准适配模具高热负荷区域，从而降低局部峰值温度，减少热机械磨损，显著延长模具寿命。

同时，增材制造极大缩短了交付周期。传统多部件加工与组装方式被整体式增材制造结构替代，为整车制造商带来更短的开发周期与更快的新平台投产速度。

混合制造技术为大体积模具创造了额外灵活性。具备标准化接口的功能模块可高效集成与优化，无需重新制造整个部件，既节约材料又降低单套模具成本。

对于丰田等致力于柔性化生产、追求部件整合与结构优化的汽车制造商，该项技术发展为模具策略开辟了新可能：降低模具制造成本、延长生产周期，并实现单套模具的多品种柔性生产。

本项目成果证明了由大尺寸激光粉末床熔融系统、创新材料与混合制造构成的完整工艺链能够满足大型压铸领域的模具制造应用。

Fraunhofer ILT研究所表示，这一工艺链不仅适用于大型铝压铸模具镶件，还可拓展至塑料加工与复合材料领域。在任何需要高负载模具、复杂冷却且批量有限的场景中，增材制造都将提供显著优势。

当前，中国新能源汽车的一体化压铸应用正从后地板向电池壳体、前舱总成等扩展，零件投影面积逐步增大，壁厚进一步减薄。国内已具备7,000–12,000T级压铸岛供应能力。我国在模具增材制造领域已取得阶段性进展：国产大尺寸激光粉末床熔融设备（成型尺寸超600mm）逐步普及，“传统基体+增材功能件”的混合制造模式已成为行业关键实践，并初步形成了涵盖仿真设计、工艺控制与后处理的数字链能力。未来，系统化开发适用于增材制造的大尺寸模具材料、提升米级幅面工艺稳定性、构建从设计到验证的完整技术链条，将推动一体化压铸技术规模化应用，为整车轻量化提供稳定可靠的制造基础。

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▲ 森拉天时新型增材制造 MaxiMill – 211-DC 可转位刀片铣削系统和先进的冷却液供应
© 森拉天时

 全方位冷却

森拉天时推出的新型增材制造产品 MaxiMill – 211-DC 是一种铣刀系统，采用了增材制造技术来生产刀体，并且刀体后刀面的冷却孔也是通过3D打印技术制造的。这种设计使得冷却孔的位置可以最理想化，从而实现全方位的冷却效果。MaxiMill – 211-DC铣刀的刀片几何形状经过精确定制，以匹配冷却系统，确保冷却液在刀片切削时能够精确地冷却到切削刃口的位置。此外，MaxiMill – 211-DC的刀体与标准内冷刀柄兼容，这为高温合金和钛合金材料的加工提供了有效的解决方案。

© 3D科学谷白皮书

增材制造工艺使获得专利的方肩铣刀能够将最大量的冷却液直接输送到刀片侧面，从而在加工耐热高温合金时提供工艺可靠性。

与采用标准冷却的刀具相比，MaxiMill – 211-DC 的刀具寿命延长了 60%。此外，尽管刀体内的冷却液孔很复杂，MaxiMill-211-DC 仍与具有贯穿冷却液供应的标准适配器兼容，而不需要断屑器上有任何标准冷却液。

 3D打印铣刀

3D打印铣削刀具
3D打印技术在铣削刀具制造领域的应用越来越广泛，它能够实现复杂几何形状的制造，特别是对于特殊非标刀具的设计和生产。以下是一些关于3D打印铣削刀具的关键信息：

混合制造：3D打印与微铣削的结合被称为混合制造，这种技术可以提高零件的加工精度和表面质量。例如，德国凯撒斯劳滕工业大学的团队在研究中发现，激光粉末床熔融（L-PBF）和高速激光定向能量沉积（HS L-DED）两种增材制造技术制造的零件在微铣削加工性上存在差异，这与它们的微观结构特性有关。

复杂几何形状：3D打印技术，特别是粉末床选区激光熔融（SLM）技术，允许制造带有复杂内部通道的机械加工刀具。这使得刀具设计可以更灵活，以满足特定的使用需求，从而提升刀具的性能和竞争力。

定制化生产：3D打印技术使得刀具制造商能够根据客户的具体需求快速开发定制化的刀具解决方案。例如，德国刀具制造商Paul Horn就利用3D打印技术生产特殊刀具和刀柄，以满足客户的个性化需求。

刀具性能提升：通过3D打印技术制造的刀具，由于其内部冷却通道的复杂几何结构，可以提高冷却液的流动效率，从而提升刀具的寿命和运转速度。例如，玛帕公司利用3D打印技术制造的QTD系列刀具就具有更长的使用寿命和更快的运转速度。

硬质合金模具：3D打印技术也被用于制造硬质合金模具，如德国Fraunhofer研究所采用的3DP粘结剂喷射技术。这种技术可以制造出具有更大几何槽形自由度的模具，实现更复杂的几何形状。

大型切削工具的轻量化：3D打印技术在制造大型切削工具时，可以带来轻量化的优势，这对于机加工行业来说是一种变革。通过3D打印，可以减少材料的使用，同时保持或提高工具的性能。

带冷却通道的切削刀具：3D打印技术可以用于制造带有复杂冷却通道的切削刀具，这有助于提高切削效率和刀具寿命。

CNC铣削和车削的协同作用：3D打印可以用于创建复杂的零件，然后通过CNC铣削进行精炼和硬化，再通过车削添加必要的圆柱形元件。这种协同作用可以实现更高的精度和更好的性能。

总的来说，3D打印技术在铣削刀具制造中的应用为刀具设计和制造带来了革命性的变化，它不仅能够提升刀具的性能，还能够实现快速定制化生产，满足市场的多样化需求。

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宝马集团在增材制造方面的应用不仅限于生产零部件，还包括为员工定制的矫形器、教学和生产辅助设备，以及3D打印工装夹具等。

▲ 汽车行业的3D打印路线图
© 3D科学谷

宝马集团在其生产系统中采用增材制造技术，这不仅提高了生产效率，还带来了一系列其他好处，3D打印使得宝马能够快速、经济、灵活地生产生产辅助设备。这种技术允许宝马根据具体需求对产品进行单独调整，优化其工装夹具的重量，从而提高生产线的速度，缩短周期时间，降低成本。

增材制造技术的应用还有助于减少工装夹具的体积，从而降低二氧化碳排放和成本。这表明宝马集团在追求经济效益的同时，也在致力于环境保护和可持续发展。

宝马集团的这些举措体现了其在技术创新和生产效率提升方面的领导地位，同时也展示了其对环境责任的承诺。通过这些先进的制造技术，宝马集团能够更好地满足市场需求，提高竞争力，并为可持续发展做出贡献。

 3D打印砂型模具

宝马集团兰茨胡特工厂采用的砂型增材制造工艺，对于制造铝制气缸盖的模具来说，是一项革命性的创新。这种技术允许制造出传统工艺难以实现的复杂几何形状，从而提高产品的性能和生产效率。以下是3D打印在制造铝制气缸盖模具中的一些关键步骤和优势：

1. 设计阶段：首先，需要使用CAD软件设计出气缸盖的三维模型。这个模型将被用来生成3D打印所需的数据。
2. 3D打印模具：使用3D打印技术，可以打印出砂型模具。这种模具是通过将沙子逐层涂覆并使用粘合剂固定来制造的。这种方法可以创建出非常精细和复杂的内部结构。
3. 砂型铸造：一旦砂型模具打印完成，就可以将其用于砂型铸造工艺。模具中的空腔被填充以液态铝，然后冷却固化形成气缸盖。
4. 后处理：铸造完成后，需要对气缸盖进行清理，去除多余的材料，并进行必要的机械加工，以确保其尺寸精度和表面光洁度。
5. 优势：
   复杂性：3D打印技术可以制造出具有复杂内部结构的模具，这在传统铸造中很难实现。
   成本效率：由于可以快速打印出定制模具，生产成本和时间都得到了优化。
   设计灵活性：设计师可以更自由地探索新的设计，而不必担心制造的限制。
   轻量化：通过优化内部结构，可以制造出更轻的气缸盖，从而提高燃油效率和性能。
6. 环境影响：与传统铸造相比，3D打印技术可以减少材料浪费，并且可能降低能源消耗。

通过这种先进的制造技术，宝马集团能够提高生产效率，同时保持产品质量和创新性。这种技术的应用不仅适用于汽车行业，还可以推广到其他需要复杂砂型模具的领域。

 3D打印制造大型机器人夹具

宝马集团位于兰茨胡特的轻量化结构和技术中心在制造过程中采用了3D打印技术，这不仅提高了生产效率，还实现了材料的节约和环境的保护。使用3D打印技术制造的机器人夹具，重量大约120公斤，制造时间仅需22小时。这些夹具用于生产BMW M车型的所有CFRP（碳纤维增强塑料）车顶。

压机首先装载CFRP原材料，通过夹具旋转180度来拆除成品屋顶。这种设计简化了生产流程。与传统夹具相比，3D打印夹具重量轻约20%，这有助于延长机器人的使用寿命，减少系统磨损，并延长维护周期。两个步骤的结合使用减少了生产循环时间，提高了生产效率。

夹具的制造采用了两种不同的3D打印工艺，SLS（选区激光烧结）用于制造真空夹具，而LSP（大规模印刷）用于制造大型屋顶壳和轴承结构。

LSP工艺使用注塑颗粒和回收塑料，CFRP剩余材料也可以被回收利用，与传统制造方法相比，制造夹具时的二氧化碳排放量降低了约60%。2023年夏季，宝马推出了新一代更轻的夹具，通过拓扑分析和优化，实现了重量的进一步减轻。新型夹具比前代轻了25%，使得BMW M3 CFRP车顶的制造过程只需一台机器人即可完成，而之前需要三台。

现在，宝马集团兰茨胡特工厂的所有CFRP屋顶现在都采用了通过3D打印技术制造的夹具，这展示了宝马在轻量化和生产效率方面的创新应用。

通过这些创新的3D打印技术，宝马集团不仅提高了生产效率，还实现了对环境的保护，这体现了其在汽车制造领域的先进性和可持续发展的承诺。

 3D打印砂型模具用于底盘构造

在慕尼黑工厂，宝马进一步采用了仿生机器人夹具，这些夹具用于固定和移动BMW i4的整个地板总成。这些夹具通过3D打印技术制造的砂铸模具，然后通过铸造的方式填充液态铝，实现了重量和最大负载能力的优化。与传统型号相比，这种夹具轻约30%，重量仅为110公斤。

使用砂型铸造和铝制造的夹具可以形成复杂的负载优化结构，这有助于最大限度地减轻重量。这意味着在中期可以使用更小、更轻的重型起重机器人，这些机器人需要更少的能源，从而减少二氧化碳排放。

宝马集团慕尼黑工厂的工程和机器人主管Markus Lehmann表示，他们正在不断扩大通过增材制造（即3D打印）制造的生产辅助设备的使用。在夹具和搬运系统领域，他们已经用高度集成和重量优化的轴承结构取代了完整的夹具系统，这使得在搬运整个BMW i4地板组件时，整个夹具的重量减轻了30%（50公斤），从而延长了设施的使用寿命。

宝马集团通过3D打印技术的应用，不仅提高了生产效率，还有助于实现更环保的制造过程。这种创新技术的应用展示了宝马集团在汽车制造领域的前瞻性和领导力。

 在增材制造中使用创新软件解决方案

复杂的仿生结构是使用特殊的通用软件工具（例如 Synera）进行设计和计算的。BMW iVentures 对这款软件进行了战略投资，该软件以前称为 Elise。Synera 可实现快速高效的优化，现已用于 BMW 集团内的许多开发领域。 该软件用于设计和计算复杂的仿生结构。Synera软件的优化功能特别适用于3D打印，因为3D打印的高度灵活性允许拓扑优化的仿生结构能够精确打印，从而实现轻质结构设计的潜力。
在夹具设计方面，宝马集团开发并实施了自动化的工作流程，这使得结构的计算和构造可以快速高效地完成。这种自动化流程的实施，可以显著提高生产效率，并可能降低成本，同时保持或提升产品质量。

通过这种投资和技术创新，宝马集团能够保持其在汽车行业中的领先地位，并推动汽车制造技术的发展。

 3D打印工装夹具的优势

3D打印工装夹具的优势与发展前景

3D打印技术在工装夹具制造领域具有显著的优势和广泛的应用前景。以下是一些关键点，概述了3D打印工装夹具的相关情况：

1. 提高生产效率：3D打印技术可以快速制造工装夹具，与传统制造方法相比，可以大幅缩减制造周期23。
2. 降低成本：3D打印技术可以减少材料浪费，避免复杂的加工工艺，从而降低制造成本23。
3. 轻量化设计：3D打印技术提供了设计灵活性，允许设计师通过优化结构来减少材料使用量，实现轻量化设计2。
4. 复杂形状制造：3D打印技术能够制造出传统方法难以实现的复杂形状的工装夹具，满足特殊工件的加工需求2。
5. 定制化生产：3D打印技术可以根据具体需求快速定制工装夹具，提高生产过程的灵活性和定制化水平23。
6. 材料选择多样：3D打印技术可以使用多种材料，包括塑料、金属、橡胶和蜡等，随着技术的发展，更多具有高性能的材料将被用于工装夹具的制造3。
7. 简化生产流程：3D打印可以将多个组件合并设计并一次成型，简化了组装工序，减少了生产维护成本3。
8. 提高人体工程学：3D打印技术可以制造出更符合人体工程学的工具，减轻工人的劳动强度，提高操作的安全性和准确性3。
9. 应用案例：在汽车制造、航空航天和医疗器械等行业中，3D打印工装夹具已经被广泛应用，提高了生产效率和产品质量23。
10. 未来发展前景：随着3D打印技术和材料的不断创新，3D打印工装夹具预计将在未来发挥更大的作用，特别是在耐磨、高强度的工装夹具制造方面2。

这些优势使得3D打印工装夹具成为提高生产效率、降低成本、实现定制化生产的重要工具。随着技术的进一步成熟和应用的拓展，3D打印工装夹具有望在更多行业中得到广泛应用。

1：清锋科技《快速3D打印在汽车工装夹具中的应用》当选优秀论文

2：3D打印工装夹具：提高生产效率的为了技术 | Stratasys官网

3：工装夹具：通过3D打印提高生产效率的6种方式_制造

4：3D打印应用-工装夹具 | Stratasys官网

5：3d打印 工装夹具怎么用，3d打印工件 | Stratasys官网

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同兴模具就是这样一家在科技的风口积极思变的陶瓷制造商。同兴的匠人们正借助先临三维的3D数字化技术改变着陶瓷设计制作流程。

 传统模式下陶瓷设计的挑战

精准度低：传统陶瓷设计在图纸绘制、实物测量和模型制作环节主要运用手工和传统测量工具，这受到设计者经验、制作材料和环境等外在因素的限制，存在较大误差，特别是当工匠把手工绘制的图纸向立体模型转换的过程中，匹配精度不高。

© 视觉中国

设计表达误差较大：在陶瓷设计方案的推进过程中，设计师需要就产品本身与各方人员进行交流与探讨，设计表达就显得尤为重要。依靠手绘效果图的表达方式不能很好地传达立体效果，这种二维的展示形式与最终的产品有一定的差距。

© 视觉中国

耗时耗力耗材：图纸与模型的低匹配性、设计师无法交付需求方满意的作品带来的直接后果就是反复修改，返工不仅会加大工匠的工作量，影响设计项目的进度，还有昂贵的花费。另外，传统设计手法下陶瓷最终烧制成型之后才能看到设计的效果，如果设计环节不理想，需要重新进行优化设计，同样耗时耗力耗材。

 3D数字化助力陶瓷设计流程

接下来以设计制作小兔子陶瓷为例，一起感受三维技术如何助力陶瓷设计流程，为上述问题提供3D数字化解决方案。

01 三维扫描建模

使用先临三维EinScan Pro 2X Plus 多功能手持3D扫描仪扫描小兔子泥模，因泥模尺寸较小，本次采用的是2X Plus的固定式全自动扫描模式。该模式下单幅扫描时间不到0.5s，仅需3分钟左右即可完成该泥模的高精度三维数据采集。

扫描数据展示

02 模型设计

将扫描得到的陶瓷泥稿数据导入专业的三维设计软件，接着在软件内对模型进行形状修改或尺寸调整。

设计环节示意

03 制作母模

将调整好的陶瓷模型导入3D打印机/CNC精雕机，生成陶瓷母模。

04 生产加工

3D打印的陶瓷模具可直观地呈现设计效果，需求沟通无误后，即可通过石膏翻制生产模，投入生产线。后续通过补水、素烧、上釉、釉烧和检选等多道工序完成陶瓷成品的制造。

烧制过程示意
© 视觉中国

成品展示

 3D数字化解决方案的优势

高精度：先临三维EinScan Pro 2X Plus单幅扫描精度最高可达0.04mm，尺寸精度误差小。固定模式下，点距高达0.24mm，可高细节展现泥模的立体形态，为后续陶瓷产品的生产打下翔实的数据基础。

高效率：先临三维EinScan Pro 2X Plus 在固定扫描模式下，单幅扫描时间小于0.5s，最大采集幅面可达310*240mm，仅需几分钟即可完成泥稿的高精度建模工作。相较传统手工测量，绘制加工图纸的设计方式，效率有了跃进式的提升。

高效益：数字化陶瓷设计减少了大量的人力成本和材料耗费，也缩短了制作周期。设计环节效率的提高，为陶瓷的量产奠定了良好的基础。

高质量：数字平台的使用优化了作品的质量。由计算机自动生成的参数化设计方案或许能触发设计师更多的艺术灵感，辅助他们创造出更卓越的作品。

绿色节能：设计人员能随时在软件中根据新的问题进行修改，避免传统试错过程对制作材料等的损耗。且及时用数字化草图与需求方沟通，能减少返工的次数。三维数字化技术的应用，促使传统设计方式向着无纸化设计、绿色设计、轻量化设计转变。

 其他衍生应用

数字化存档：使用三维技术可以将陶瓷的数据信息保存，建立完整、准确、永久的三维数字档案库。一方面，二次生产也无需重新建模，可从数据库内调取三维数据，再投入数字化生产流程；另一方面，研究人员和设计人员可以分类管理陶瓷的数字化信息，减轻工作量。

虚拟展厅：成品制作完成后也可使用先临三维EinScan Pro 2X Plus进行扫描，搭配纹理模块可高保真还原陶瓷成品的色彩信息，结合在线展示平台与虚拟现实技术，便能实现陶瓷的场景化三维展示。当客户参观时，能用此虚拟数字展厅给其提供优质的交互体验。

三维科技碰撞匠人的精湛手艺，延续了景德镇的古老文化，让千年瓷脉，永久留存，传承创新。先临三维表示，在未来其3D数字化系列产品将继续助力瓷器文化的传承发展，也将引领更多行业领域向三维数字化转型升级。

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随形冷却水路是激光选区熔化金属3D打印技术为模具冷却带来的变革性应用。增材制造技术的应用，避免了传统工艺交叉钻孔的限制，这使得模具设计师能够根据冷却要求设计不同的随形冷却回路，使得模具以一致的速度冷却散热，促进冷却的均匀性，减少冷却时间。

近年来，金属3D打印技术在汽车压铸模具镶件制造领域得到了应用发展。然而，与航空航天等得到国家战略支撑，并对制造成本不敏感的领域不同，汽车模具是市场化的大规模制造行业。这意味着，能够在该领域扎根的制造技术，在能够满足交付能力的同时，需兼具成本优势。金属3D打印压铸模具制造也不例外。《金属3D打印在高压压铸模具上的发展趋势》一文，从材料开发、专用3D打印设备开发等角度，对金属3D打印压铸模具制造成本进一步下降的可能性进行了探讨。本期3D科学谷将对该文进行分享。

不论是模具还是铸件，降成本、短交期方面的需求，可能会前所未见的强烈。同时对质量需求还不会降低，甚至更高。从近两年来特斯拉结构件以及比亚迪动力总成件的情况来看，一方面，模具寿命普遍短于传统车企，铸件良率普遍低于传统铸件，体现出新部件的生产成熟度还有提高空间；另一方面，车企对高集成度压铸件青睐度与日俱增，即便模具寿命低、产品良率低也照样开发，这与汽车销量是直接相关的。

同样是2000+吨级的模具以缸体为例，就算比亚迪寿命仅5万，良率80%，丰田寿命20万，良率99%，问题多多的比亚迪模具还是王道，毕竟车卖不出去再高的寿命、再高的良率都没有意义。如今，新能源抛弃油车，就如同当年70年代全球石油危机时，小排量抛弃大排量、底特律从巅峰跌落至鬼城是极为相似的。也就可以理解为何以汽车产业为支柱的湖北，今年如此的“壮士断腕”。

在此趋势下，目前1.2-2元/g的3D打印模具价格，必然还要下降才能满足市场的需求。粉末公斤价下降到100元级，也就是0.1元/g，50元/H的时机费下每小时打印克重如果在125g以上，打印克价就可能来到0.4元/g，那么打印成本就会与进口粉末钢相当，对外报价也会来到0.8-1元/g这个级别。也就是说在一套模具上花费8-10万就可以收获100kg的3D打印部件。

以一体化结构件模具为例，如果善用这8-10万的3D打印部件，对铸件控砂眼、控热平衡、控粘模，对模具优化水路、优化钻孔加工、优化顶杆布置，这些改进对于一套总价1000-1500万的大模具来讲，可能就不仅仅是比较划算，而是非常物超所值了。

可是要实现如此程度的成本压缩，就需要3D打印行业从业人员的共同努力了。与航空航天等大量依赖国家支撑的行业不同，汽车模具是市场化的大规模制造行业，与其相关的模具正是为数不多的能够让金属3D打印行业真正自己养活自己的点。而要在这个点上养活自己，就必须实现规模化，规模化了才能价格合理化。价格越合理化，原本属于传统模具钢和机加工的市场就会越多的转移到3D打印这里。

我们讲3D打印要“从头越”，根源也就在这里。谁能进一步的下探价格，谁就能更好的跟上汽车行业新能源革命的步伐，谁就能获得更多扩大规模、站稳行业脚跟的机会。这与国内目前3D打印行业更多专注于航空航天能源医疗产业、更多研究工作倾向于钛合金、高温合金的趋势其实是很大程度上相反的。接下来，文章将从粉末和3D打印设备两个方面深入探讨。

 金属3D打印粉末材料

在全国的粉末产能中钛合金、高温合金仍是主力，利润上它们也是主力。钢粉不仅次要，而且用于模具的粉仍不是主流，这就表明，实际上钢粉特别是用于模具的钢粉仍会有价格下探的空间。模具钢粉中应用于注塑模具的以CX类时效硬化不锈钢为主，应用于压铸模具的以1.2709类（18Ni300）马氏体时效硬化钢为主。这两类粉之所以被优先引入模具行业是因为它们3D打印性能优良，不容易裂，对预热要求低。实际上这两类粉本身就是易焊材的常用料。很多焊补公司的所谓“拿手绝活”，正是基于各种渠道获得的时效钢焊条来实现的。

以1.2709为例，北美一般称为C300，作为传统材料其具有不错的韧性以及显著优于H13的抗回火性能，所以早在70年代人们就知道如果用C300、C250做压铸模具，龟裂寿命往往是H13模具的3倍以上。但是因1.2709材料过于昂贵的价格（动辄1000元/kg以上，主要来自昂贵的冶炼成本）使得它基本不可能被大规模应用到商业模具中。借助3D打印以粉末形式重新来到压铸模具市场后，高Ni高Co的合金成分又阻碍了它粉末成本的进一步下降。很难降到200元/kg以下，除非赔钱做。2709虽然具有优秀的抗回火能力，但是对于3D打印压铸模具来说，并非是第一性能。这是因为首先3D打印模具不是用来提高寿命的，而是借助随形水路用来实现额外功能的。所以模具需要高导热能力以充分发挥随形水路能力、降低水路设计难度，而2709的热导率仅为H13的三分之二以下。其次，当随形水路设计到位后，模具本身的热负荷降低很多，不需要特别高的抗回火能力也能实现较好的寿命。这也就导致了2709导热能力不足、抗回火能力过剩这种尴尬情况，被市场淘汰基本是注定的。

目前市场上的下一代压铸3D打印粉主要是H13类，包括市场钢各类知名钢材制粉如DAC55、Dievar、W350等等，不一而足。合金成本要比2709等时效钢类更低。从钢材分类上来看这些包括H13在内的材料，都属于二次硬化中温高强钢，经550℃以上回火，适用于500℃下仍需要强度的工作环境。相比于300M等低合金高强钢，它们的5Cr成分使之具有极为出色的淬透性及淬硬性，适应大厚度大截面模具的热处理。但是3D打印模具至少目前来说显然不是大截面的，所以这部分同样存在性能过剩，这部分完全可以通过降低Cr含量而转移到更优秀的导热性上。并且高淬硬性对3D打印成型过程是不利的，易裂，所以这类粉的打印过程一般要比2709等时效钢要慢一些。下一步的开发方向就是如何进一步提高导热性，如何进一步优化可打印性。

粉末种类经过进一步优化后，结合国内的制粉能力，确实有进一步降低粉末成本的可能。届时粉末种类预计也会在不断的迭代中得到明确和统一。

 3D打印设备

国内厂家在开发大型打印设备方面已经领先世界。得益于国家支撑的航空航天等项目，大型设备打印大型构件，国内诸多厂家已经有了相当丰富的实践经验。从技术难度上讲，大量采用复杂网格结构的钛合金、高温合金部件，比只需要做随形水路的3D打印压铸模具要难得多，钛合金天生的低导热使得它的应力累积相关问题也比钢严重得多，各类品控需求在设备端催生出各类监控需求及相关设备、方法，包括但不限于：

声信号—声学传感器—气孔率、裂纹、铺粉高度；
光信号—高速摄像机、光电二极管—粉末熔凝、熔池形貌、交叉污染；
热信号—热像仪、CCD相机—熔池面积、熔池温度、熔池尺寸/飞溅/冷却速率；

3D打印机的激光源、振镜、风场、程序等等方面已经相当充分的市场化，价格下落很多。涉及品控的上述功能及相关配件、系统，如果是针对特型粉、专一用途例如模具打印的特型机来配套，并且规模化，价格必然是要下探的。也就是说，专机专粉+规模化，必然会将成本进一步下降。3D打印中打印机机时费是粉末之外的最大头。国内包括铂力特、E-Plus在内都推出了10激光的米级通用设备。按每个激光头成型效率15cm3/h计算，10头总共为150cm3/h，一小时约打印1.2kg，专用机不换粉的话机时费目前可到500元/h，相当于克价不到0.42元/g。与上面估算的降低后克价已经很接近了，并且显然如果是特型机的话还有再优化的空间。

所谓特型机就是专门打印模具、或者特定模具部件（镶件、水套、型芯等等）的设备。通用机的设计是要满足打印铝、钛、镍、钢等多种材料、多种部件的需要。所以要多方兼顾、追求通用性。也就必然很难针对专一用途进行优化、降成本。对于模具打印而言，特定的粉末、特定优化的激光、尺寸、基板、刮刀，必然效率要超过通用机，也就会让成本进一步下降，效率进一步提高。

 未来趋势

以上，作者分析了3D打印压铸模具进一步降低成本的可能性。通过这些分析，甚至可能看到金属3D打印模具追赶传统机加工减材制造的背影。可以想象如果3D打印做模具的总价真的来到0.5元/g，或者说500元/kg这个级别，很多模厂将会评估下一台设备到底是该投一台NC还是一台3D打印机了。3D打印的灵活性优势会被最大程度的发挥出来。这个所谓的灵活性不光是讲随形水路带走热量这一个层面，而是讲模具的性能有机会被控制、从而实现最大的性价比。

模具失效主要有两种，或早或晚总会发生的必然类失效，比如热龟裂；以及受各类因素影响的偶发类失效，比如开裂漏水掉块。在目前汽车新能源革命的场景下，5万模内必然失效程度可接受/不发生偶发失效的镶件，比50万模必然失效程度可接受/不发生偶发失效的镶件要实际得多，性价比高得多。因为新车迭代太快，就像智能手机刚出来时一样，很多设计半年后就过时，生产工具过长的寿命并无意义甚至是负担。同样为了多余寿命而支出的多余强度、多余韧性、多余价格、多余交期，对于企业来说都是不利的。3D打印借助于随形水路，可以有机会来调控模具的生产负荷，通过合理设计可以使一款经济合适的粉材及打印工艺满足使用需求，也就不必在这些地方再进行额外的支出，从而为企业降本增效。比如原先一个镶件需要PVD来抗粘铝，现在做一个3D件，粘铝5万模内很合适，那么PVD的成本也就节省了。其他方面亦是如此。

文章来源中铸网

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那么按照这个逻辑去思考，包括Binder Jetting粘结剂喷射，粉末挤出3D打印等3D打印技术是否可以替代注塑成型工艺或粉末冶金工艺，成就无需模具，且内部结构更为复杂的硬质合金工件呢？本期，3D科学谷一起通过几个典型案例，与谷友一起来洞悉正在上升的硬质合金3D打印。

肯纳金属通过Desktop Metal的粘结剂喷射3D打印技术制造的硬质合金刀具组件
© 肯纳金属

 肯纳金属

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。

© 肯纳金属

肯纳金属将新型 KAR85-AM-K 牌号的卓越耐磨性和耐腐蚀性与粘合剂喷射 3D 打印方面的深厚专业知识相结合，提供了两全其美的优势——传统碳化钨非常理想的材料特性和增材制造带来的设计灵活性——用于在最苛刻的应用中走得更远的高性能组件。

KAR85-AM-K提供类似于其传统对应等级 CN13S 的耐腐蚀和耐磨性能。结合 粘结剂喷射3D打印技术带来的增材制造能力，KAR85-AM-K 可生产出完全致密、耐腐蚀的部件，达到或超过传统制造的硬质合金部件的性能。

© 3D科学谷白皮书

与标准钴基钨牌号相比，新牌号成分具有钴、镍和铬的专有混合物，可提高耐腐蚀性。这是肯纳金属公司开发的第二个商用硬质合金牌号，用于其粘合剂喷射增材制造工艺，也是该公司针对 3D 打印优化的高性能金属粉末组合的最新成员。此前，肯纳金属于2021年还推出了符合激光束粉末床熔融（PBF-LB）增材制造标准的硬质合金粉Stellite21，Stellite21具有钴铬钼合金基体，该基体包含分散的硬质碳化物，这些硬质合金可以增强合金并增加硬度，同时降低材料的延展性。它还具有出色的耐腐蚀性能和抗热，机械冲击性能。

 山特维克

山特维克于2022年4月宣布通过引入具有卓越耐磨性能的 3D 打印硬质合金继续扩展其增材制造产品。山特维克开发了独特的粉末和工艺。3D科学谷了解到山特维克的粉末经过优化，可打印外观精美、效果良好的组件，并且适合在实际应用、苛刻环境和批量生产中使用。值得一提的是，3D 打印硬质合金的能力大大加快了产品的开发与商业化时间。原型制作过去需要 6 到 12 个月，而现在开发到商业化的交货时间是几周的问题。

许多人一直在与传统硬质合金制造所带来的设计限制作斗争——这使得这些部件的全部潜力无法实现。山特维克通过实施增材制造，可以高效地生产几乎任何复杂几何形状的一系列产品，从而在各个行业实现改进的功能。与增材制造特别相关的是具有流体通道、端口和类似部件的组件，因为通道和其他任意空腔很难钻孔，但3D打印起来没有问题。

© 山特维克

 弗劳恩霍夫

在硬质合金的3D打印方面，国际上，德国弗劳恩霍夫（Fraunhofer）研究所的研究人员早先就成功地使用粘结剂喷射3D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。

 TECNALIA

根据3D科学谷的市场观察，西班牙TECNALIA 利用其科学研究知识帮助公司通过颠覆性粘结剂喷射技术取得成功。粘结剂喷射增材制造克服了需要支撑的增材制造工艺的局限性，可用于加工所需但难以加工的硬质金属和工具钢，设计自由度使提高性能的冷却通道能够直接集成到设计中。

 升华三维

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。

PEP-粉末挤出3D打印技术，是基于粉末冶金工艺而形成的新型3D打印技术。升华三维自主研发的钨合金颗粒料UPGM-96WNIFE，与市场上涉及到的钨合金3D打印粉末所不同的是，它用于粉末挤出这一间接金属3D打印技术。正是由于其热融挤压系统操作简单、将打印与脱脂烧结分开、有效实现对材料的控制与成形等多项优势，为钨合金应用领域带来了高效以及更优性价比的批量生产解决方案。

钨合金屏蔽件(生坯)
© 升华三维

在开发颗粒材料的同时，升华三维对钨合金屏蔽件的3D打印和脱脂烧结的工艺控制进行研究，以完美掌握影响钨合金致密化的关键工艺参数。通过PEP技术，能够在无模具的情况下将钨合金颗粒料成型，然后再结合传统的脱脂烧结等工艺进行后处理，获得最终的密度和强度。

一些有中空或多孔结构和不能直接切割的零部件用传统方法很难制造出来，升华三维的PEP特色工艺实现一体化打印制造，缩短了时间周期，也使得钨合金屏蔽件得到更多性能的优化。

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© 冰轮环境

烟台冰轮智能机械科技有限公司（简称“冰轮智能机械公司”）是冰轮环境技术股份有限公司的全资子公司，全国铸造百强企业。公司下设智能成型工厂、大件铸造工厂、加工工厂三大模块。可生产50吨以下灰铸铁、20吨以下球墨铸铁铸件，主营机床类、压缩机类、发电设备类、内燃机类、泵阀类、矿山机械类等6大行业铸件产品，产品主要出口日本、美国、新加坡、德国等地。冰轮智能机械公司的3D智能成型工厂的正式启动，标志着冰轮环境在绿色化、数字化、智能化进程中再登新台阶。

冰轮智能机械公司副总经理田立海讲道：“在智能大数据方面，冰轮智能以先进的3D打印制造技术为立足点，采取智能化、数字化、专业化、绿色制造为一体的生产方式，采用3D打印技术制作复杂砂型，质量均一度高，快速交付复杂砂型及铸件。采用先进的3D打印设备及机器人、全自动浇注机等智能装备，实现整个工艺生产的智能化。随着公司的不断发展，将成为中国品质最好、最具国际竞争力的利用3D打印技术全流程生产铸件基地。”

而将3D打印技术应用到铸造行业，其优势尤为明显。“3D打印就是服务于制造业的新兴技术，它和冰轮，甚至和烟台的经济类型都是完美贴合的。”田立海介绍道：“冰轮现在生产过程的1600多个参数、180余台设备、五大软件系统都是高度集成的，人均年产铸件150吨，较传统铸造工厂提高60%-100%；人均销售收入400万元，是传统铸造工厂的6-10倍，是真正意义上的全流程数字化智能铸造工厂。”

据悉，目前公司通过3D打印技术已实现5000吨/年高端铸件生产能力，人均产能超过100T/年，成为全球范围内全流程智能化水平较高的3D打印铸造工厂。

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增材制造-3D打印技术其中一个显著优势是在无需模具的情况下直接制造出零部件，随着3D打印材料的发展，增材制造质量控制水平的提升，3D打印技术正在从少量原型产品的制造，向最终零部件的批量制造方向发展。如果从这个角度来看，3D打印技术与模具制造技术似乎是一对矛盾， 3D打印似乎要让制造流程跳过模具这一个环节…

3D打印成就模具 vs 3D打印“跳过”模具
© 3D科学谷

 变与不变之间的机遇

那么对于国内的模具制造企业，如何理性的理解3D打印对模具行业带来的威胁、挑战与机会？如何决策在“变”与“不变”中取得发展机遇的最大化？这就需要从“底层”逻辑中理解3D打印发展的运行逻辑与趋势，以及对模具带来的冲击的冲击力在何方？

从制造进化角度，宏观层面看，制造会逐步进化掉中间的冗余和繁琐的组装拼接，或许3D打印的终极发展会废除现在很多压铸、锻造用模具的存在，保留下来的是一些3D打印难以实现的超大零件或者是批量非常大零件的制造，那些必须通过传统方式加工才具备经济效益的零件所需的模具将得以保留。另外一方面保留下来的是跟电子、白色家电、日用品相关的注塑模具。无疑在朝向资源利用率更加高效、更加可持续发展的方向发展，这是支撑3D打印渗透到制造的方方面面的发展逻辑。

然而，从另一方面看，3D打印又使得模具变得更加重要了，譬如说米其林这家公司如此专注，做了这么多年的轮胎，为什么收购addup这家3D打印设备企业，米其林通过自己拥有3D打印技术来探索轮胎模具的制造，这其中的逻辑主要是因为3D打印成就复杂形状的能力，金属3D打印很好的解决了刀具干涉的问题，当复杂性与可制造性不再是困扰轮胎模具制造的最大因素的时候，3D打印很好的释放了轮胎产品设计迭代的便捷性，也催生了新型的轮胎制造能力。

© 米其林

例如通过3D打印技术，米其林设计出独特的雕塑系列轮胎，3D打印成为米其林轮胎取得竞争的决定性因素之一。

© 米其林

不过值得注意的是，米其林还反向布局了3D打印无充气轮胎的技术路线，这或许为将来轮胎的制造“跨过”模具这个环节埋下了伏笔。

© 3D科学谷白皮书

国内，作为国内较早在轮胎模具制造领域引进增材制造的企业，巨轮智能目前已建成非金属（高分子复合材料）增材制造-3D打印生产线，用于生产轮胎模具基础模，一方面提升加工效率，另一方面节约材料、设备、刀具成本，具有一定的生产优势。

 发展的底层逻辑

那么抬升一个维度来看，无论是成就更好的模具，还是跨过模具直接用于制造，3D打印得以迅速发展的底层逻辑是什么呢？根据ACAM德国亚琛增材制造中心，一方面，3D打印改变了制造逻辑。通常对于同一个产品来说，通过传统制造技术生产的数量越多，产品的单件成本也随之呈下降趋势；而对于3D打印-增材制造来说，单件成本与产量的相关性是独立的，这是在考虑可扩展性时需要考虑的因素。另一方面，关于产品的复杂性。通常在通过传统制造技术来生产零件时，产品越复杂，成本越高，企业则需要很昂贵的投资（包括新的模具，甚至是新的设备来实现）；而对于增材制造来说，零件的复杂性与成本的相关性也是独立的，零件几何形状的复杂性通常并不会带来额外的制造成本。

从这两个逻辑角度看，3D打印这种带有鲜明数字化特征的技术，这意味着增材制造能够改变产品的生产方式是本质性的，不仅可以实现个性化，还可以实现功能化导向的制造。从产品发展的角度看，人类在利用大自然所赐予的资源方面，在朝向资源利用率更加高效、更加可持续发展的方向发展。而3D打印在材料利用的经济性上，材料的可回收方面无疑带来了划时代的改变，这也是这项技术是第四次工业革命的一项核心技术的底层逻辑。

例如，宝马德国在世界范围内首次将金属3D打印集成到汽车自动化制造工艺中，两条生产线其中一条在GKN在波恩的工厂，另一条在宝马集团在慕尼黑的工厂。项目的设计目标是通过自动化将人工活动从35% 减少到5%，3D打印金属零件成本降低一半以上。

从制造业的角度看待3D打印，很容易看到3D打印在汽车领域实现产业化面临着诸多的挑战，包括3D打印制造产品的最大尺寸，零件质量的一致性，适用于汽车行业的材料，满足汽车行业的制造效率，满足汽车行业的低成本挑战等，那么宝马汽车为什么要挺进3D打印的产业化领域呢？

这就类似于电动汽车刚刚发展的初期，很多人认为电动汽车无法像燃油车这样马力十足，电动汽车的动力和续航能力都存在致命的缺陷。然而，环顾能源发展的底层逻辑，人类在地球上繁衍生息着么多年，目前所赖以生存的很多能源总有一天会使用殆尽，而能带给持续供给的最可靠的能源是太阳能，太阳能能够转化的是电能，这也是电动汽车势必会取代燃油车的底层逻辑。

根据ACAM亚琛增材制造中心，3D打印-增材制造受制于高成本、高材料价格、高手动工作量、低生产效率、设备之间沟通不畅、端到端的质量保证缺乏一致性等等问题，这些制约因素导致增材制造很难进入到汽车的产业化全自动生产线的形态。

而宝马的这个案例中，开发了一条能够在计算机控制下自行执行所有工作步骤的生产线。通过这种方式，组件可以自主设计、生产和返工。甚至使用的金属粉末也会自动回收。无人驾驶运输系统在生产线的各个模块之间移动原材料和最终产品，这些机器由一个中央控制单元协调，来自各个生产线模块的所有生产数据都在其中汇集。

由此可见，3D打印将对传统制造模式带来很大的冲击，业界必须清醒的看到这一点，认可3D打印技术带来的颠覆潜力，才能更好的抓住机遇。业界需要认知到3D打印技术不是噱头，3D打印技术之美，美在让人类创造财富、创造美好生活的方式更加可持续。

那么3D打印对模具带来的机遇又是什么呢？这需要来理解3D打印用于产品的制造在模具哪些层面上正在增加制造附加值的发展逻辑。

根据3D科学谷的《3D打印与模具行业白皮书》，3D打印目前可以用于制造塑料产品，这对注塑模具存在一定的冲击，然而3D打印另外一方面正在成就更好的注塑模具。包括米其林金属3D打印子公司Addup也在规模化部署随形冷却模具制造技术，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，转变为全生命周期的评估（包括模具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），这里面包含了3D打印所创造的附加值考量。

无疑，3D打印是天然的价值放大器，这对于模具企业的转型升级带来了机遇，国内目前也出现了通过3D打印迅速获得发展的模具企业，例如深圳德科。当然，在3D打印的模具方面上，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。在这方面，业界可以向富有经验的企业寻求解决方案，例如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、注塑机厂家等等，从而促进模具制造上下游企业之间的深度合作。

NanoSteel

 百花齐放的发展机会

不仅仅是随形冷却注塑模具这样典型的案例，也不仅仅是轮胎模具这样颇为细分的应用，3D打印在模具领域的应用正在呈现出百花齐放的态势。

另外一个案例是在鞋底模具生产过程中，3D打印技术相比传统制鞋工艺更智能化、自动化，具有省人、高效、精准、灵活等优势。

© 3D科学谷白皮书

传统制鞋市场，鞋模的制作从设计到一双成品鞋模需要经过编程、CNC、机械加工、修模、试模、咬花等工序，加工工序较复杂，3D打印一键式操作，可直接提取鞋模三维数据，经过简单的加支撑及切片处理导入3D打印机，待打印完成即可得到鞋模，不论鞋底花纹及表面精细度都贴合三维数据满足应用需求。3D打印技术极大简化了生产流程，降低了产品综合成本并加速了产品线的优化迭代。应用的优越性在生产制造过程中得以充分体现。在这方面，国内Uniontech3D-联泰科技的3D打印系统将图片转换成皮纹贴于三维数据上，精细花纹连同整个鞋模一体打印出来。精细度高，成品表面质量好，缩短了生产制程，降低了成本。

成本和产品的差异化一直是企业竞争的核心因素，新的生产方式如何为企业的产品差异提供帮助，如果企业能够充分利用3D的打印所带来的创新的能量，就一定能在市场中占据优势地位，而对于模具企业来说，懂得取舍，懂得聚焦，在聚焦的基础上利用3D打印实现高附加值模具的制造，将是另外一条上升路径。

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各类车辆轮胎是由轮胎模具硫化成型制造的，轮胎模具的作用包括硫化和成型。轮胎产品中的花纹、图案、字体及其他外观特征皆由轮胎模具成型而来。对于精密子午线轮胎而言，轮胎花纹的加工精度直接影响到轮胎的性能。这对轮胎花纹加工提出的了挑战。

根据3D科学谷的市场观察，3D打印技术已逐渐融入到了轮胎模具花纹的制造工艺中。在《钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用》一文中，3D科学谷曾结合案例透视了金属3D打印技术在轮胎模具钢片制造、花纹块模具制造中的应用、价值以及潜在应用。

在过去的5年，不仅金属3D打印在轮胎模具的加工方面获得了长足的技术发展，塑料3D打印通过与精密铸造工艺的结合在轮胎模具方面获得了独树一帜的发展。本期，3D科学谷将结合联泰科技的塑料3D打印在轮胎模具领域的解决方案，透视光固化3D打印技术怎样融入高性能轮胎的模具制造中，如何为轮胎模具铸造工艺创造附价值。

 轮胎模具分类及制造工艺

轮胎模具是一种耗材产品，其市场规模的变化与轮胎产量的变化基本一致。根据信达证券的数据，2021年全球轮胎模具市场规模约150亿元。全球汽车产业进入成熟期，增速放缓，但预计随着疫情影响逐渐消退，需求将会复苏，全球轮胎模具市场规模有望保持低速稳增状态，预计到2025年达174亿元。此外，轮胎花纹改良更新速度较快，实际生产中只有 20%的轮胎模具是因损耗需要更新，而 80%是由于过时等原因，也就是说多数轮胎模具制造需求源于下游应用市场对于产品迭代的需求。

轮胎模具是高技术含量、高精密度和高附加值的产品，是一种个性化属性较强的模具。因轮胎模具的质量直接影响到轮胎的质量。

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如按照胎体结构划分，轮胎分为斜交线轮胎和子午线轮胎。2019年，全国汽车轮胎的子午化率已达94%，本文接下来将要探讨的也是子午线轮胎模具。

子午线轮胎可根据帘线材料的不同分为半钢丝子午线轮胎和全钢丝子午线轮胎，分别对应的模具为半钢子午线轮胎模具和全钢子午线轮胎模具。近年来，轮胎模具的发展趋势为结构上从两半模具发展到活络模具，材质上包括钢质和铝质。

轮胎的性能包括具有优越的耐磨性、防滑性、散热性、排水性、操作稳定性等，这些性能要求对轮胎模具的花纹结构提出了特殊要求与挑战。子午线轮胎模具中的花纹结构往往呈现出空间三维扭曲，弧度多，角度多的特点。高性能子午线轮胎（如：冬季胎或雪地胎）花纹块中的窄缝是由模具上相对应的钢片成型的。

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子午线轮胎模具花纹制造工艺包括：手工钢片镶嵌、电火花加工、精密铸造、高速雕刻花纹。除此之外金属3D打印有望成为一种新的轮胎模具一体化花纹块制造方式。

手工镶嵌钢片-若模具上钢片数量少，并且钢片高度较大时，通常采用人工镶嵌方式。但是当模具中钢片数量多并且密集时，若采用镶嵌的方式来加工钢片，由于缺少操作空间致使镶嵌时和压紧时工具很难施展，并且劳动强度大，人工镶嵌则不可避免的会损伤模具表面，镶嵌后的钢片精度和牢固性也难以保证。金属3D打印制造钢片是目前轮胎模具企业主要的3D打印应用方向，在应对少量、多样化和复杂的钢片方面发挥了价值，但仍无法克服镶嵌方式本身的挑战。

精密铸造-通常用于生产半钢轮胎模具，该工艺在零件的复杂性和材料适应性方面具有优势。但铸型的制造流程繁琐，需要的工艺装备多，成本较高。光固化3D打印技术融入铸造流程中，有望通过数字化制造的属性提高带有复杂花纹的轮胎模具铸造的精密度和效率，在应对轮胎花纹更新换代需求时，也易于在模具制造环节中做出灵活的反应。

电火花加工-在加工复杂型腔、微孔和超硬、脆性材料等方面具有不可替代的独特优势，是模具制造中不可或缺的加工方法。电加工方式存在的挑战包括电极损耗比较大，型腔花筋根部容易出现圆角等。

高速雕刻花纹-高速加工技术用于制造模具具有切削效率高、加工精度高、表面质量好等优势。但是设备和刀具成本较高，投入较大；对于花纹钢片比较多、花纹锐角较尖的花纹图案，存在加工难度很大的问题。

金属3D打印花纹块制造-在制造钢片一体化花纹块方面存在独特优势。但在生产成本及满足尺寸精度和表面光洁度要求方面仍存在挑战。该技术目前仍处于应用探索早期。

 精密铸造+3D打印

应对花纹复杂性及工艺制造困扰

精密铸造作为是轮胎模具制造中最重要的制造技术之一，尤其在半钢子午线轮胎的生产中具有主导的地位。全球至少有90%以上的半钢子午线轮胎的生产采用精密铸造铝合金模具。

尤其对于多钢片的雪地胎轮合金模具，通常采用精密铸造工艺制造。在制造时，首先要加工基础模，基础模与轮胎的形状一致，基础模上面加工安放钢片的沟槽，并在上面贴好基础钢片，然后将基础模反过来翻硅胶膜（与模具是一样的），在基础模上凸起的钢片，在硅胶膜中就是凹下去的细缝，此时需要在这些细缝中安放事先加工好的钢片，然后将硅胶膜反过来翻石膏模（与轮胎一致），石膏模烘干后，放入砂箱内，进行轮胎模具铸造。

传统轮胎模具铸造工艺

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在轮胎模具制造过程中有两大技术难点，一是拥有复杂花纹的轮胎模具，这类模具需要复杂的零件加工死角手工修饰，有的还需要手工镶嵌钢片修饰。特别是高性能的轮胎模具，如冬季胎、雪地胎，或是特殊设计的轮胎，需要大量的钢片修饰，有的模具甚至需要上千枚钢片，工艺难度几何增加。二是铸造工艺制造流程繁琐，需要的周期长。

轮胎模具数字化3D打印解决方案

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联泰科技针对这些痛点，打造了轮胎模具数字化3D打印解决方案，将3D打印工艺融入至轮胎模具制造工艺中，以3D打印技术进行带花纹的一体化基础木模快速制造，替代传统铸造工艺流程中翻硅胶膜以前的一系列繁复工序。

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这一解决方案包括专用3D打印设备，打印材料、制作流程工艺包、后处理方案、以及3D打印云平台系统，以及联泰独创的数字化工艺参数包等。

l 3D打印设备

联泰科技基于光固化3D打印技术开发了适用于轮胎模具行业的3D打印设备–RA600，旨在解决轮胎行业成本高、效率低、工艺复杂等问题，为轮胎模具行业实现智能制造提供支持。

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RA600 3D打印设备机身配备了高端的光电元器件，结合联泰科技自身研发的高效稳定的控制方案，为打印的稳定性提供保证。通过RA600设备3D打印的轮胎铸造基础模具花纹细节高度还原，花纹沟槽尺寸偏差控制在±0.05mm，圆度偏差控制在±0.05mm。可实现人工难以企及的复杂形状一体化呈现，极大程度提升了轮胎模具的设计空间。

RA600轮胎模具专用3D打印设备

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同时，也将改善手工修饰和钢片镶嵌这一繁杂工艺，缩短生产周期，提高整体效率，并且节约大量的人力成本和生产成本。此外，利用3D打印解决方案，轮胎模具工厂还可以做到随需随打，减少库存压力，甚至可以做到零库存，灵活应对轮胎花纹及轮胎模具设计迭代的需求。

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l 数字化生产管理系统

联泰科技的轮胎模具3D打印解决方案，还包括自主开发的数据前处理软件Polydevs、打印控制软件RSCON/DSCON，工艺算法软件BP以及数字化生产管理协同系统Unionfab，构建了3D打印软件系统的完整布局，旨在颠覆传统生产流程，优化数据准备环节，简单易用实施便捷，生产信息精细管理，满足企业IT管理要求。

3D打印在成就复杂花纹的轮胎模具方面具备不可替代的优势，这使轮胎制造实力的竞争变得更加综合，轮胎模具制造用户对3D打印技术在制造工艺中的应用保持了清晰的开放态度。3D科学谷也将对轮胎模具3D打印产业化应用的发展保持关注。

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。

参考资料：
《轮胎模具制造技术现状及发展》
《子午线轮胎模具钢片加工工艺》
《轮胎模具全球龙头，坚实制造能力拓宽成长赛道》
《轮胎活络模具花纹块电火花加工工艺的研究应用》

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