丰田雅力士混合动力车采用3D打印压铸工具
德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT) 是一家专注于激光制造的研究机构，它与美国工程金属部件供应商MacLean-Fogg公司合作，采用激光粉末床熔合技术 (PBF-LB/M) 为丰田汽车生产了一款大型压铸模具嵌体。该项目标志着首次成功演示了采用随形冷却的大体积模具，这得益于一种名为L-40的新开发工具钢。丰田雅力士混合动力变速箱壳体的混合模具嵌件采用传统预制件与增材制造结构相结合的方式制造，从而缩短了生产时间并实现了更复杂的冷却设计。
随着电气化和成本竞争重塑汽车平台，汽车制造商面临着将零部件整合成数量更少但体积更大的铝制部件的压力。这种转变对压铸模具提出了更高的要求，模具必须能够承受极端的热应力和机械应力，同时快速适应设计变化。传统的加工钢和工具钢（例如H11、H13或M300）难以大规模满足这些要求，这使得弗劳恩霍夫ILT和MacLean-Fogg公司专注于新的机器概念和材料。丰田公司已在批量生产中使用更小的增材制造模具，并报告称其模具寿命显著延长，与传统刀片相比，使用寿命可延长四倍。
采用L-40材料的传统制造和增材制造工具的使用寿命比较。图片来自弗劳恩霍夫激光技术研究所
弗劳恩霍夫激光技术研究所 (ILT) 的LPBF工艺技术组组长Niklas Prätzsch 解释说：“为了克服这些限制，我们需要新一代的机器和材料，专门针对大型高压精密冲压模具的需求。我们实施的最新变革正是围绕这种组合进行的。”
弗劳恩霍夫ILT公司设计了一台基于龙门架的五激光PBF-LB/M机床，其构建室尺寸为1,000 × 800 × 350 mm³。与固定床系统不同，该机床采用可移动的加工头，并配有局部保护气引导，使得气体流速和激光偏转角等参数在构建区域扩大时保持不变。这种方法能够构建超过20,000cm³的嵌件，包括边界框尺寸为515 × 485 × 206 mm³的丰田嵌件。加热至200°C的基板降低了构建过程中的温度梯度，从而降低了大型几何形状中通常出现的残余应力和开裂风险。
冷却水道设计：新形状取代了传统的针状冷却（上图），而是包含复杂的共形冷却水道网络（下图）。图片来自弗劳恩霍夫激光技术研究所
材料开发同样至关重要。MacLean-Fogg研发了L-40钢，这是一种专为高压压铸工具增材制造工艺而设计的钢材。与现有合金相比，L-40在打印和热处理过程中的开裂倾向显著降低。在成品状态下，该合金的硬度达到48 HRC，抗拉强度达到1,420 MPa，缺口冲击强度超过60 J。测试证实了该合金在复杂几何形状中的稳定性，包括圆形和悬垂式冷却通道，而传统钢材经常在这些形状中失效。
对于丰田的变速箱壳体，项目团队采用了混合生产方法。首先采用传统工艺制造带有垂直冷却通道的预制件，然后在其上采用增材制造技术构建共形通道。这需要精确的机床校准，以确保两个部件之间的精确对准和可靠连接。完成后，对嵌件进行去应力退火处理，并采用传统工艺对其功能表面进行铣削。增材制造基体尺寸精度高，这意味着只需进行少量精加工，无需进一步投入材料。
得益于弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）的龙门式大幅面系统，即使是体积超过20,000 cm³的复杂耐用工具也能实现高重复性打印。图片来自弗劳恩霍夫激光技术研究所
MacLean-Fogg Component Solutions产品管理总监Harald Lemke表示：“凭借 L-40，我们致力于突破增材制造在冷热成型模具，尤其是压铸模具领域的极限。该项目证明了生产大型、复杂且高度耐用的刀片在技术上是可行的，并设定了明确的里程碑，以实现经济效益。增材制造已准备好迎接真正的工业规模挑战。”
镶块内的随形冷却网络旨在缓和模具的热应力区域。通过降低局部温度峰值，该系统减少了热机械磨损并延长了使用寿命。早期研究表明，增材制造模具的使用寿命比传统H13镶块高出四倍，而本项目将这些优势扩展到更大规模的应用。对于制造商而言，这意味着更少的工具更换、更低的成本以及更快的响应新设计需求。
增材制造的铝压铸模具是丰田雅力士混合动力汽车变速箱壳体模具的一部分。图片来自丰田欧洲公司
除了汽车压铸之外，该工艺链还适用于其他需要耐用且冷却系统复杂的模具的领域。潜在的扩展领域包括塑料加工和复合材料成型，这些领域的批量有限且热负荷较高，也推动了对更具弹性的模具的需求。随着千兆铸造和电动汽车平台进一步提升模具需求，可扩展的增材系统为生产速度更快、适应性更强、使用寿命更长的生产模具提供了一条途径。