丰田雅力士混合动力车型采用 3D 打印压铸模具

德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT），一家专注于激光制造的研究机构，与美国工程金属零部件供应商MacLean-Fogg合作，利用激光粉末床熔融（PBF-LB/M）技术为丰田生产了一款大型压铸模具。该项目标志着首次成功展示了具有冷却功能的大体积模具，这得益于新开发的模具钢L-40。

这款增材制造的铝压铸模具是丰田雅力士混合动力车型变速箱壳体模具的一部分

随着电气化与成本竞争重塑整车平台，汽车制造商正面临将零件整合为更少但更大铝部件的压力。这一转变对压铸模具提出了更高要求：模具必须抵抗极端的热应力和机械应力，同时能够快速适应设计变更。传统加工方式及 H11、H13或M300等模具钢在大规模生产中难以满足这些需求，因此Fraunhofer ILT与 MacLean-Fogg将重点放在新型机床概念与材料上。丰田在系列生产中已经使用小型增材制造模具，并报告称其使用寿命显著长于传统模具，最高可达4倍寿命。

传统制造与增材制造工具使用寿命的对比
 

Fraunhofer ILT激光粉末床熔融（LPBF）工艺技术组组长Niklas Prätzsch解释道：“要克服这些局限性，我们需要新一代专门针对大尺寸高压铸（HPDC）模具需求的机床和材料。正是这种组合成为了我们最新改进的核心。”

新型结构采用复杂的冷却通道（下图），取代了传统的销钉冷却设计（上图）

Fraunhofer ILT设计了一台基于龙门结构的五激光器PBF-LB/M设备，构建腔体尺寸为1,000×800×350mm³。与固定床系统不同，该设备采用可移动加工头并辅以局部防护气体引导，使气体流速和激光偏转角等参数在构建区域扩大时保持恒定。这一设计使得制造体积超过20000cm3的内衬成为可能，其包络盒尺寸为 515×485×206mm³。加热至200℃的基板在构建过程中减少了温度梯度，从而降低了大型几何结构中常见的残余应力和开裂风险。

材料开发同样至关重要。MacLean-Fogg开发了L-40钢，这是一种专为高压铸模具增材制造设计的钢材。与现有合金相比，L-40在打印和热处理过程中开裂倾向明显降低。在成型状态下，该合金硬度可达48 HRC，抗拉强度1420MPa，缺口冲击强度超过60J。测试结果证实其在复杂几何结构中的稳定性，包括圆形和悬垂冷却通道——这些结构传统钢材常常无法胜任。

在丰田变速箱壳体项目中，团队采用了混合生产方法：首先常规制造带有垂直冷却通道的预成型件，然后在其上增材制造冷却通道。这一过程要求机床高度精确校准，以保证两部分的准确对齐和可靠结合。完成后，模具进行应力消除退火，其功能面则采用传统铣削加工。由于增材制造基体尺寸精度高，仅需极少量后处理加工，无需额外材料投入。

MacLean-Fogg产品管理总监Harald Lemke表示：“使用L-40，我们的目标是突破增材制造在热、冷成形模具，尤其是压铸模具领域的极限。该项目证明，生产大型、复杂且高耐久性的模具在技术上是可行的，同时也明确了达到经济可行性的关键里程碑。增材制造已准备好应对真正的工业规模挑战。”

得益于Fraunhofer ILT的龙门式大尺寸系统，即便是复杂且耐用的模具，体积超过20000cm³，也能实现可重复打印

早期研究显示，增材制造模具的寿命可达传统H13的4倍，而本项目则将这一优势扩展至更大规模的应用。对制造商而言，这意味着模具更换次数减少、成本降低，同时对新设计需求的响应速度更快。

除了汽车压铸领域，该工艺链还可应用于其他需要耐用且冷却结构复杂的模具的领域。潜在的延伸应用包括塑料加工和复合材料成型，这些领域由于批量有限且热负荷高，同样需要更高韧性的模具。随着一体化铸造和电动化车辆平台进一步提高模具需求，可扩展的增材制造系统为更快速、更灵活、使用寿命更长的生产模具提供了可能路径。

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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