豐田雅力士混合動力車采用3D打印壓鑄工具

2025年9月13日，南極熊獲悉，德國弗勞恩霍夫激光技術研究所(ILT) 是一家專注于激光制造的研究機構，它與美國工程金屬部件供應商MacLean-Fogg公司合作，采用激光粉末床熔合技術 (PBF-LB/M) 為豐田汽車生產了一款大型壓鑄模具嵌體。該項目標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。豐田雅力士混合動力變速箱殼體的混合模具嵌件采用傳統預制件與增材制造結構相結合的方式制造，從而縮短了生產時間并實現了更復雜的冷卻設計。

隨著電氣化和成本競爭重塑汽車平臺，汽車制造商面臨著將零部件整合成數量更少但體積更大的鋁制部件的壓力。這種轉變對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力和機械應力，同時快速適應設計變化。傳統的加工鋼和工具鋼（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公司專注于新的機器概念和材料。豐田公司已在批量生產中使用更小的增材制造模具，并表示模具壽命顯著延長，與傳統刀片相比，使用壽命可延長四倍。

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

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

弗勞恩霍夫ILT公司設計了一臺基于龍門架的五激光PBF-LB/M機床，構建室尺寸為1000×800×350mm³。與固定床系統不同，機床采用可移動的加工頭，并配有局部保護氣引導，使得氣體流速和激光偏轉角等參數在構建區(qū)域擴大時保持不變。這種方法能夠構建超過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的基板降低了構建過程中的溫度梯度，從而降低了大型幾何形狀中通常出現的殘余應力和開裂風險。

△冷卻水道設計：新形狀取代了傳統的針狀冷卻（上圖），而是包含復雜的共形冷卻水道網絡（下圖）。圖片來自弗勞恩霍夫激光技術研究所。

材料開發(fā)同樣至關重要。MacLean-Fogg 研發(fā)了 L-40 鋼，這是一種專為高壓壓鑄工具增材制造工藝而設計的鋼材。與現有合金相比，L-40在打印和熱處理過程中的開裂傾向顯著降低。在成品狀態(tài)下，合金的硬度達到 48 HRC，抗拉強度達到 1,420 MPa，缺口沖擊強度超過 60 J。測試證實了合金在復雜幾何形狀中的穩(wěn)定性，包括圓形和懸垂式冷卻通道，而傳統鋼材經常在這些形狀中失效。

對于豐田的變速箱殼體，項目團隊采用了混合生產方法。首先采用傳統工藝制造帶有垂直冷卻通道的預制件，然后在上面采用增材制造技術構建共形通​​道。這需要精確的機床校準，以確保兩個部件之間的精確對準和可靠連接。完成后，對嵌件進行去應力退火處理，并采用傳統工藝對功能表面進行銑削。增材制造基體尺寸精度高，這意味著只需進行少量精加工，無需進一步投入材料。

△得益于弗勞恩霍夫激光技術研究所（ILT）的龍門式大幅面系統，即使是體積超過 20,000 cm³ 的復雜耐用工具也能實現高重復性打印。圖片來自弗勞恩霍夫激光技術研究所。

MacLean-Fogg Component Solutions產品管理總監(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，尤其是壓鑄模具領域的極限。本項目證明了生產大型、復雜且高度耐用的刀片在技術上是可行的，并設定了明確的里程碑，以實現經濟效益。增材制造已準備好迎接真正的工業(yè)規(guī)模挑戰(zhàn)?！?/div>

鑲塊內的隨形冷卻網絡旨在緩和模具的熱應力區(qū)域。通過降低局部溫度峰值，隨形冷卻系統減少了熱機械磨損并延長了使用壽命。早期研究表明，增材制造模具的使用壽命比傳統 H13 鑲塊高出四倍，而本項目將這些優(yōu)勢擴展到更大規(guī)模的應用。對于制造商而言，這意味著更少的工具更換、更低的成本以及更快的響應新設計需求。

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

除了汽車壓鑄之外，工藝鏈還適用于其他需要耐用且冷卻系統復雜的模具的領域。潛在的擴展領域包括塑料加工和復合材料成型，這些領域的批量有限且熱負荷較高，也推動了對更具彈性的模具的需求。隨著千兆鑄造和電動汽車平臺進一步提升模具需求，可擴展的增材系統為生產速度更快、適應性更強、使用壽命更長的生產模具提供了一條途徑。