豐田雅力士混合動(dòng)力車(chē)采用3D打印壓鑄工具

2025年9月13日，南極熊獲悉，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(ILT) 是一家專(zhuān)注于激光制造的研究機(jī)構(gòu)，它與美國(guó)工程金屬部件供應(yīng)商MacLean-Fogg公司合作，采用激光粉末床熔合技術(shù) (PBF-LB/M) 為豐田汽車(chē)生產(chǎn)了一款大型壓鑄模具嵌體。該項(xiàng)目標(biāo)志著首次成功演示了采用隨形冷卻的大體積模具，這得益于一種名為 L-40 的新型工具鋼。豐田雅力士混合動(dòng)力變速箱殼體的混合模具嵌件采用傳統(tǒng)預(yù)制件與增材制造結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式制造，從而縮短了生產(chǎn)時(shí)間并實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的冷卻設(shè)計(jì)。

隨著電氣化和成本競(jìng)爭(zhēng)重塑汽車(chē)平臺(tái)，汽車(chē)制造商面臨著將零部件整合成數(shù)量更少但體積更大的鋁制部件的壓力。這種轉(zhuǎn)變對(duì)壓鑄模具提出了更高的要求，模具必須能夠承受極端的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)快速適應(yīng)設(shè)計(jì)變化。傳統(tǒng)的加工鋼和工具鋼（例如H11、H13或M300）難以大規(guī)模滿足這些要求，這使得弗勞恩霍夫ILT和MacLean-Fogg公司專(zhuān)注于新的機(jī)器概念和材料。豐田公司已在批量生產(chǎn)中使用更小的增材制造模具，并表示模具壽命顯著延長(zhǎng)，與傳統(tǒng)刀片相比，使用壽命可延長(zhǎng)四倍。

△采用L-40 材料的傳統(tǒng)制造工具與增材制造工具的使用壽命比較。圖片來(lái)自弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所。

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所 (ILT) 的 LPBF 工藝技術(shù)組組長(zhǎng) Niklas Prätzsch 解釋說(shuō)：“為了克服這些限制，我們需要新一代的機(jī)器和材料，專(zhuān)門(mén)針對(duì)大型高壓精密沖壓模具的需求。我們實(shí)施的最新變革正是圍繞這種組合進(jìn)行的?！?/div>

弗勞恩霍夫ILT公司設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于龍門(mén)架的五激光PBF-LB/M機(jī)床，構(gòu)建室尺寸為1000×800×350mm³。與固定床系統(tǒng)不同，機(jī)床采用可移動(dòng)的加工頭，并配有局部保護(hù)氣引導(dǎo)，使得氣體流速和激光偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)在構(gòu)建區(qū)域擴(kuò)大時(shí)保持不變。這種方法能夠構(gòu)建超過(guò)20,000cm³的嵌件，包括邊界框尺寸為515×485×206mm³的豐田嵌件。加熱至200°C的基板降低了構(gòu)建過(guò)程中的溫度梯度，從而降低了大型幾何形狀中通常出現(xiàn)的殘余應(yīng)力和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

△冷卻水道設(shè)計(jì)：新形狀取代了傳統(tǒng)的針狀冷卻（上圖），而是包含復(fù)雜的共形冷卻水道網(wǎng)絡(luò)（下圖）。圖片來(lái)自弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所。

材料開(kāi)發(fā)同樣至關(guān)重要。MacLean-Fogg 研發(fā)了 L-40 鋼，這是一種專(zhuān)為高壓壓鑄工具增材制造工藝而設(shè)計(jì)的鋼材。與現(xiàn)有合金相比，L-40在打印和熱處理過(guò)程中的開(kāi)裂傾向顯著降低。在成品狀態(tài)下，合金的硬度達(dá)到 48 HRC，抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1,420 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度超過(guò) 60 J。測(cè)試證實(shí)了合金在復(fù)雜幾何形狀中的穩(wěn)定性，包括圓形和懸垂式冷卻通道，而傳統(tǒng)鋼材經(jīng)常在這些形狀中失效。

對(duì)于豐田的變速箱殼體，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用了混合生產(chǎn)方法。首先采用傳統(tǒng)工藝制造帶有垂直冷卻通道的預(yù)制件，然后在上面采用增材制造技術(shù)構(gòu)建共形通​​道。這需要精確的機(jī)床校準(zhǔn)，以確保兩個(gè)部件之間的精確對(duì)準(zhǔn)和可靠連接。完成后，對(duì)嵌件進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，并采用傳統(tǒng)工藝對(duì)功能表面進(jìn)行銑削。增材制造基體尺寸精度高，這意味著只需進(jìn)行少量精加工，無(wú)需進(jìn)一步投入材料。

△得益于弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）的龍門(mén)式大幅面系統(tǒng)，即使是體積超過(guò) 20,000 cm³ 的復(fù)雜耐用工具也能實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性打印。圖片來(lái)自弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所。

MacLean-Fogg Component Solutions產(chǎn)品管理總監(jiān) Harald Lemke表示：“憑借L-40，我們致力于突破增材制造在冷熱成型模具，尤其是壓鑄模具領(lǐng)域的極限。本項(xiàng)目證明了生產(chǎn)大型、復(fù)雜且高度耐用的刀片在技術(shù)上是可行的，并設(shè)定了明確的里程碑，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。增材制造已準(zhǔn)備好迎接真正的工業(yè)規(guī)模挑戰(zhàn)?！?/div>

鑲塊內(nèi)的隨形冷卻網(wǎng)絡(luò)旨在緩和模具的熱應(yīng)力區(qū)域。通過(guò)降低局部溫度峰值，隨形冷卻系統(tǒng)減少了熱機(jī)械磨損并延長(zhǎng)了使用壽命。早期研究表明，增材制造模具的使用壽命比傳統(tǒng) H13 鑲塊高出四倍，而本項(xiàng)目將這些優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到更大規(guī)模的應(yīng)用。對(duì)于制造商而言，這意味著更少的工具更換、更低的成本以及更快的響應(yīng)新設(shè)計(jì)需求。

△增材制造的鋁壓鑄模具是豐田雅力士混合動(dòng)力汽車(chē)變速箱殼體模具的一部分。圖片來(lái)自豐田歐洲公司。

除了汽車(chē)壓鑄之外，工藝鏈還適用于其他需要耐用且冷卻系統(tǒng)復(fù)雜的模具的領(lǐng)域。潛在的擴(kuò)展領(lǐng)域包括塑料加工和復(fù)合材料成型，這些領(lǐng)域的批量有限且熱負(fù)荷較高，也推動(dòng)了對(duì)更具彈性的模具的需求。隨著千兆鑄造和電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)進(jìn)一步提升模具需求，可擴(kuò)展的增材系統(tǒng)為生產(chǎn)速度更快、適應(yīng)性更強(qiáng)、使用壽命更長(zhǎng)的生產(chǎn)模具提供了一條途徑。