ORNL開發(fā)3D 打印金屬模具，加快汽車大型復合材料部件量產(chǎn)制造

2025年6月2日，南極熊獲悉，據(jù)美國能源部橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 稱，與傳統(tǒng)的工具制造方法相比，他們開發(fā)的3D 打印金屬模具為批量生產(chǎn)車輛的大型復合材料部件的生產(chǎn)提供了一種更快、更具成本效益和更靈活的方法。

這項研究是在 ORNL 的制造示范設施(MDF) 進行的，證實大規(guī)模增材制造非常適合制造復雜的金屬模具，制造效率可以加速汽車行業(yè)對輕質復合材料的采用。

△3D 打印模具安裝在田納西大學諾克斯維爾分校纖維與復合材料制造工廠的一臺Wabash MPI 150噸液壓機上。圖片來源：田納西大學諾克斯維爾分校。

ORNL制造機器人與控制小組首席研究員AndrzejNycz表示： “這種技術可以幫助美國實現(xiàn)再工業(yè)化，并通過創(chuàng)造更智能、更快捷的制造基本工具的方式提升其競爭力。它使我們更接近自動化、智能化的生產(chǎn)流程�！�

傳統(tǒng)上，金屬工具是通過從大型鍛鋼塊中減材制造的——這一過程會去除高達 98% 的原材料，產(chǎn)生大量廢料，并且由于供應鏈延遲，通常需要數(shù)月時間。相比之下，增材制造技術使用廣泛使用的焊絲作為原料，將廢料減少到 10% 左右。

增材制造還能幫助工程師生產(chǎn)更復雜的模具幾何形狀，例如內部加熱通道，而這些形狀是傳統(tǒng)加工難以實現(xiàn)的。Nycz說道：“形狀越復雜，增材制造的價值就越高�！�

研究團隊與 IACMI（復合材料研究所）的運營商 Collaborative Composites Solutions (CCS) 合作，對這一概念進行了測試。他們選擇 3D 打印一個大型電池外殼模具，并配備復雜的內部結構。

林肯電氣增材制造解決方案公司 (Lincoln Electric AdditiveSolutions ) 采用氣體保護金屬電弧焊 (GMAW) 增材制造工藝，用 ER410 不銹鋼絲打印了兩個近凈成形模具。GMAW 工藝利用電弧熔化自耗絲電極，形成金屬層并制造復雜的部件，同時使用保護性屏蔽氣體防止污染。團隊采用了專門的刀具路徑策略，以減輕重量并保持強度。

左側的下模和上模已完全組裝。圖片來源：IACMI。

后續(xù)分析證實輕量化模具滿足結構性能要求，驗證了增材制造用于高性能生產(chǎn)工具的可行性。

該項目由美國能源部先進材料與制造技術辦公室（AMMTO）資助。其他項目參與人員包括復合材料應用組的John Unser、橡樹嶺國家實驗室的Peter Wang，以及林肯電氣增材制造解決方案公司的Jason Flamm和Jonathan Paul。

MDF 由 AMMTO 支持，是一個全國性的合作者聯(lián)盟，與 ORNL 合作創(chuàng)新、啟發(fā)和催化美國制造業(yè)的轉型。