波音公司新实践：金属3D打印双材料、大尺寸飞机零件钢模

一个冲压成型模具，高约6英尺（1.83米）、宽约4英尺（1.22米），重量接近2吨，采用电弧增材制造（DED-Arc，通称WAAM）技术打印，整个打印过程持续约8周。

这是近日美国橡树岭国家实验室（ORNL）与波音合作完成的一项大型模具制造项目，这个模具将用于波音参与的NASA高速复合材料飞机制造（HiCAM）项目。

传统金属模具，为什么要用3D打印？

这个冲压成形模具，用于对加热后的热塑性复合材料进行成形。

过去，这类大型模具通常通过机加工、铸造、锻造和钻孔等传统工艺制造。对于尺寸较大的复杂模具而言，不仅制造流程较长，而且内部用于加热、冷却的通道也受到加工方式限制。

ORNL和波音希望验证一个问题：能不能直接用WAAM打印出大型模具，同时把传统加工难以实现的结构直接制造出来？

答案是可以。

此次项目还有一点值得关注的，是电弧增材制造技术被用于重新设计模具的材料和内部结构。

多材料WAAM：不同区域使用不同金属

此次项目采用ORNL的Arc-1系统进行制造。

与常规WAAM不同，Arc-1可以同时输送多种金属丝材，从而实现多材料增材制造。

最终的模具采用了不同材料的组合，根据不同区域的功能需求进行材料配置：

· 低碳钢：用于主要结构区域，提供强度和刚度；

· 不锈钢：沉积在模具工作表面，用于提高耐腐蚀性、尺寸稳定性和耐久性。

这也是大型WAAM模具制造的一个重要方向——通过材料梯度或局部材料配置，把性能需求与制造过程结合起来。

内部“随形”冷却通道

传统模具通常需要通过钻孔加工出较为笔直的流体通道，用于输送加热或冷却介质。而增材制造可以改变这一限制。此次项目中，工程师直接在模具内部构建了沿模具曲面分布的弯曲通道，使冷却、加热通道更加贴合模具形状。相比传统的直线孔道，这种设计能够更加有效地对模具进行加热和冷却，从而改善模具的热管理性能。

这也是大型金属增材制造用于模具制造时的重要价值之一：

不仅是换一种方式制造模具，更是利用增材制造重新设计模具。

2吨级WAAM模具，最大的难题是什么？

大型WAAM结构并不容易打印。

随着金属丝材逐层熔化、沉积和冷却，材料内部会产生残余应力，最终可能导致大型结构发生翘曲、扭转和尺寸偏移。

此次模具制造同样遇到了这一问题。

为控制变形，ORNL团队在模具背面设计了临时加强筋，同时利用计算机模拟预测和补偿打印过程中的变形。

带临时加强筋的整体模具打印件，图源：ORNL

整个过程中进行了32轮模拟迭代，最终使打印件的形状控制在距离目标尺寸几毫米的范围内。

打印完成后，模具被送往美国Baker Industries进行退火，以消除内部应力；随后去除临时加强筋，并完成后续加工，使最终工具满足波音的要求。

虽然最终模具并非所有部分都通过3D打印完成，而是采用了增材制造与传统加工相结合的方式，但本项目中开发的技术可以复制到类似应用中。

从“打印零件”走向“打印大型制造工具”这项项目的意义，并不在于单纯制造了一件大型金属构件。更值得关注的是，WAAM正在从过去较常见的大尺寸结构件制造，进一步进入航空复合材料制造工具这一环节。

对于大型模具而言，增材制造可以带来几个潜在优势：

大尺寸制造：利用高沉积率电弧增材技术快速构建大型金属坯体；

结构一体化：冷却通道、加强结构等可以在打印过程中直接集成；

多材料设计：不同区域可以根据功能需求采用不同材料；

减少材料去除：先近净成形，再进行必要的机加工，有望降低大型模具制造中的材料去除量。

此次项目同时也验证了一个更加现实的技术路线：

增材制造并不一定要全部替代传统制造，而可以承担大型结构的快速近净成形，再结合热处理、机加工等工艺完成最终制造。

ORNL表示，这次项目作为测试案例，其形成的技术路线还可以进一步用于其他大型工具制造，并有望拓展至能源、汽车等领域。

对于大型WAAM而言，真正值得持续关注的，可能不是“能不能打印更大的东西”，而是如何把材料、结构、热管理和变形控制一起纳入设计，让增材制造从“大型金属打印”进一步走向“大型制造工具的重新设计”。