AM易道導(dǎo)語：汽車模具DED制造面臨嚴峻挑戰(zhàn)

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當奔馳研究團隊嘗試使用定向能量沉積（DED）技術(shù)制造汽車模具組件時，他們遭遇了令人困惑的現(xiàn)象：

預(yù)熱溫度越高，裂紋風(fēng)險反而更大！

預(yù)熱溫度提升至600°C，硬度值卻從584 HV飆升至驚人的790 HV，導(dǎo)致模具組件在制造過程中出現(xiàn)嚴重裂紋！

這一發(fā)現(xiàn)很反直覺。

奔馳參與的研究團隊通過系統(tǒng)實驗揭示了預(yù)熱與裂紋形成之間的復(fù)雜關(guān)系，他們的研究不僅解決了DED技術(shù)在工具制造中的關(guān)鍵問題，更為汽車制造業(yè)提供了工藝解決方案。

汽車制造業(yè)的個性化需求與增材制造的機遇

隨著汽車行業(yè)產(chǎn)品變體數(shù)量不斷增加，增材制造工藝正成為提高生產(chǎn)過程靈活性的關(guān)鍵技術(shù)。

正如論文引言部分所述，定向能量沉積（DED）工藝具有混合-增材制造工具組件的潛力，旨在更具成本效益地生產(chǎn)車身外表面零件。

然而，激光所導(dǎo)致的基板與增材構(gòu)建之間的溫度梯度是無裂紋制造過程的關(guān)鍵因素，因為它影響著組件中殘余應(yīng)力的大小。

DED技術(shù)與粉末床熔融（PBF）技術(shù)的優(yōu)勢互補

研究中指出，DED和PBF已成為增材制造行業(yè)中最具主導(dǎo)地位的工藝。

相比PBF，DED以更高的沉積速率、更大的層高和更慢的冷卻速率著稱。

DED還允許功能梯度材料的沉積，使機械性能能夠適應(yīng)特定負載需求。

這一特性對于汽車模具的制造尤為重要，因為不同部位的模具組件承受著不同的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。

論文中提到，通過結(jié)合PBF和拓撲優(yōu)化的零件設(shè)計，成形工具的重量可減輕高達20%，而DED可用于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的修復(fù)和幾何形狀修改，這對模具制造業(yè)至關(guān)重要。

實驗裝置與系統(tǒng)設(shè)置

研究團隊使用了ERLAS公司生產(chǎn)的HARD + CLAD多功能系統(tǒng)進行實驗，這是一套能在單一系統(tǒng)中實現(xiàn)激光束硬化和激光熔覆的設(shè)備。

文中未有圖片展示的該系統(tǒng)：文字稱其采用了Laserline GmbH公司的LDF 4000-40二極管激光器，波長介于900-1100 nm之間，最大激光功率為4000W。

實驗保持了3.5毫米的激光焦點直徑，以及105毫米的準直長度和350毫米的焦距不變。

系統(tǒng)配備了由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）制造的3噴嘴粉末噴嘴，該噴嘴安裝在KUKA KR480 R3330 MT 6軸機器人系統(tǒng)上。

這一精密設(shè)備配置保證了實驗的精確性和可重復(fù)性，為研究結(jié)果提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

工具組件的CAD模型與DED送粉打印開裂實物對比

我們來看看奔馳汽車打印了什么零件？是哪里開裂？

圖2展示了工具組件的CAD模型（a）和實際制造的零件（b）。

該工具組件是切割段的沖頭，作為金屬板材成形工具的一部分，用于剪切材料以生產(chǎn)汽車車身外表面零件。

由于在金屬板材冷成形過程中的高壓力，沖頭在剪切過程中承受著高應(yīng)力。

CAD模型顯示了零件的理想幾何形狀，而實際制造的零件中可以清晰觀察到裂紋形成，這直接展示了DED工藝中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

工具鋼的焊接性挑戰(zhàn)與裂紋形成機理

論文詳細分析了工具鋼因高碳含量而導(dǎo)致的有限焊接性。

在冷卻循環(huán)過程中，基板的熱影響區(qū)形成馬氏體，產(chǎn)生脆性微觀結(jié)構(gòu)和表面硬化。

作為最終結(jié)果，DED過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)失效和零件中的裂紋形成。

層數(shù)和隨后熱循環(huán)的增加使殘余應(yīng)力進一步增大。

由于制造工具組件所需的大沉積體積和高層數(shù)，裂紋形成仍然是DED工藝中的主要問題。

材料選擇與化學(xué)成分：表1揭示關(guān)鍵元素配比

研究中使用的材料選擇對于實驗結(jié)果至關(guān)重要。

如表1詳細展示，基板材料1.2333冷作鋼含有0.6%的碳和4.5%的鉻，而用于增材構(gòu)建的3.33 LOWC粉末則含有0.2%的碳、28%的鉻和16%的鎳。

微觀結(jié)構(gòu)揭秘：預(yù)熱如何改變金屬微觀組織？

研究團隊首先對不同預(yù)熱溫度下的焊接試樣進行了系統(tǒng)分析。

他們使用G59CrMoV18-5（1.2333）冷作鋼作為基板材料，H?gan?s 3.33 LOWC粉末作為增材材料，采用恒定的激光功率（2000 W）、粉末質(zhì)量流量（17.9 g/min）和掃描速度（19 mm/s）進行實驗。

通過圖5所示的硬度測量結(jié)果，我們可以清晰看到預(yù)熱溫度與硬度之間的關(guān)系：

室溫下最大硬度為584 HV，150°C時升至745 HV，300°C時為767 HV，450°C時達到786 HV，600°C時高達790 HV。

這種硬度增加直接增加了裂紋形成的風(fēng)險。

更令人驚訝的是，掃描電子顯微鏡（SEM）分析（圖6）揭示了預(yù)熱如何從根本上改變金屬微觀結(jié)構(gòu)。

在室溫條件下（圖6a），可以觀察到貝氏體組織的存在，這解釋了相對較低的硬度值；

而在450°C預(yù)熱溫度下（圖6b），結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出粗大晶粒，沒有中間相組織，導(dǎo)致硬度值大幅提高。

這種微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是預(yù)熱溫度提高反而增加裂紋風(fēng)險的根本原因。

層數(shù)臨界點：裂紋形成的精確定位

為了深入理解裂紋形成過程，研究團隊制造了不同層數(shù)的工具組件。

圖7展示了發(fā)現(xiàn)：當層數(shù)為5層時，組件表面完全無缺陷；

而當層數(shù)增加到10層時，突然出現(xiàn)了5.7毫米的裂紋；15層和20層時，裂紋長度分別增長到26.87毫米和42.30毫米。

這一系列數(shù)據(jù)精確定位了裂紋形成的臨界點：在第5層和第10層之間，殘余應(yīng)力累積超過了材料強度極限，導(dǎo)致裂紋形成。

圖4進一步顯示，對于預(yù)熱溫度為300°C的組件，連續(xù)性裂紋從第四層和第五層之間開始形成，隨后向整個構(gòu)件擴展。

這種裂紋形成模式為研究團隊提供了關(guān)鍵的工藝改進方向。

焊接試樣設(shè)計：硬度測試模式

前面提到了硬度是研究的核心測試變量，來看看研究是如何測試硬度的：

如圖1所示，研究團隊在結(jié)合區(qū)選擇了25個測量點進行硬度測試，這一區(qū)域包括稀釋區(qū)和熱影響區(qū)（HAZ）。

通過這種系統(tǒng)的測量方法，研究者能夠精確評估硬度在不同區(qū)域的分布情況，并觀察從結(jié)合區(qū)到沉積材料3.33 LOWC和基板1.2333的硬度變化。

這一硬度測試模式為理解預(yù)熱溫度、工藝加熱和應(yīng)力消除退火對結(jié)合區(qū)硬度的影響提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

原位加熱創(chuàng)新：從表面預(yù)熱到整體溫控

前文提到，面對預(yù)熱帶來的負面影響，研究團隊提出了新解決方案：

完全取消預(yù)熱，轉(zhuǎn)而采用原位加熱。

他們使用Velp Scientifica REC 7加熱板（最大溫度550°C，功率780 W）在制造過程中持續(xù)加熱基板，以減少基板與增材構(gòu)建之間的溫度梯度。

圖8生動地對比了三種情況下的裂紋形成狀況：

未采用工藝加熱時（圖8a和8b），裂紋長度達44.46毫米，左側(cè)有3.83毫米裂紋，右側(cè)有40.63毫米裂紋；

采用550°C工藝加熱但不調(diào)整制造策略時（圖8c和8d），右側(cè)裂紋長度減少至5.06毫米，左側(cè)無裂紋；

結(jié)合550°C工藝加熱和調(diào)整后的制造策略（圖8e和8f），兩側(cè)完全無裂紋，實現(xiàn)了零缺陷制造；

這一結(jié)果清晰地證明了原位加熱相比預(yù)熱具有顯著優(yōu)勢，能夠更有效地控制溫度梯度，減少殘余應(yīng)力累積。

制造策略創(chuàng)新：45°角外輪廓的神奇效果

研究團隊不僅改變了加熱方法，還調(diào)整了制造策略。

如圖3所示，他們在第五層后添加了外部輪廓，將焊接噴嘴傾斜45度，聚焦在第四層和第五層之間的邊緣。

這一看似簡單的調(diào)整卻產(chǎn)生了神奇效果：有效減輕了邊緣處的應(yīng)力集中，防止了裂紋從這些高應(yīng)力區(qū)域開始形成。

這種制造策略調(diào)整與原位加熱的結(jié)合，成功實現(xiàn)了工具組件的無缺陷制造，如圖8e和8f所示，滿足了汽車制造業(yè)批量生產(chǎn)的基本要求。

退火處理：進一步消除殘余應(yīng)力

為進一步提高制造可靠性，研究團隊對工具組件進行了600°C、7小時的退火處理，隨后19小時緩慢冷卻至室溫。

圖9和圖11展示了退火處理對不同制造策略下組件硬度的影響：

未采用工藝加熱時，退火使最大硬度降低7.42%（從660 HV降至611 HV）；

采用工藝加熱時，退火效果更顯著，使最大硬度降低19.09%（從613 HV降至496 HV）；

采用調(diào)整后的制造策略和工藝加熱時，退火使最大硬度降低9.87%。

這一硬度降低直接減少了組件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，進一步增強了組件的可靠性和使用壽命。

研究團隊在論文中提到，通過應(yīng)力消除退火，配合無預(yù)熱但采用550°C原位加熱的工藝，可以成功制造更大尺寸的工具組件。

多材料設(shè)計與功能梯度結(jié)構(gòu)的潛力

論文強調(diào)了DED送粉技術(shù)在多材料設(shè)計和功能梯度結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢。

通過DED工藝，可以根據(jù)特定負載要求調(diào)整機械性能，這對于承受復(fù)雜應(yīng)力的汽車模具至關(guān)重要。

研究中使用的冷作鋼G59CrMoV18-5（1.2333）和3.33 LOWC粉末材料組合就是一個很好的例證。

1.2333鋼具有良好的表面硬化性和焊接性，而3.33 LOWC粉末因其16%的鉻含量而具有高韌性和高硬度，可以補償焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

這種材料組合為汽車模具制造提供了優(yōu)化的機械性能和耐磨性。

結(jié)語：預(yù)熱認知的重構(gòu)與工藝創(chuàng)新的必要性

本研究不僅解決了DED技術(shù)在工具制造中的關(guān)鍵問題，更重要的是改變了增材制造領(lǐng)域?qū)︻A(yù)熱的傳統(tǒng)直覺和認知。

AM易道認為，這項研究深刻提醒我們：

在復(fù)雜的增材制造工藝中，簡單地套用經(jīng)驗可能帶來適得其反的結(jié)果，參數(shù)之間復(fù)雜的相互作用需要我們更加系統(tǒng)、科學(xué)地思考。

從表面預(yù)熱到原位加熱，從單一工藝參數(shù)調(diào)整到綜合策略優(yōu)化，隨著汽車制造業(yè)個性化需求不斷增長，像這樣能夠顯著提高工藝穩(wěn)定性的研究將為DED技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用鋪平道路。

圖片來源： https://group.mercedes-benz.com/

文章信息：

https://doi.org/10.1007/s40964-025-00971-3

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