德国HORN 将金属3D打印技术用于刀具制造

寂静回声

3D打印/增材制造技术可以实现复杂几何形状，制造出带有复杂内部通道的机械加工刀具，特别是特殊的非标刀具。由于刀具形状的设计不受加工限制，在设计刀具时可以更多的考虑刀具的使用需求，从而提升刀具的性能和综合竞争力。

       越来越多的刀具公司开始利用增材制造生产刀具和相关产品，根据3D科学谷的市场观察，德国刀具制造商Paul Horn 也是其中之一。

提升复杂刀具定制竞争力

Horn 为机械加工用户提供铣削、开槽、拉削、铰孔刀具，并可以根据制造业用户的应用开发自定义刀具解决方案。

Horn 为客户开发的特殊刀具

     Horn 意识到了3D打印技术的优势和竞争力，并开始使用应用该技术，包括刀具快速原型，直接制造特殊刀具和刀柄。为了促进增材制造的发展，Horn正在筹建一个新的“增材制造”生产部门，该部门与机械生产、粉末分析以及质量保证都密切相联。Horn使用的是粉末床选区激光熔化3D打印技术（SLM），该技术是将金属粉末分层地施加到可降低的平台上，然后通过激光将相关区域熔化，重复这一步骤直到达到所需的部件高度。目前Horn 使用的金属3D打印设备最大构建区域为300 x 300 x 300 mm（11.811 x 11.811 x 11.811“）,使用的金属粉末材料是AlSi10Mg铝合金和1.4404不锈钢。

Horn 增材制造的刀具部件

     所有的刀具增材制造工艺都是由Horn自己完成的，因此能够迅速响应客户要求，可以根据客户的需求生产各异的刀具，包括根据客户需求结合增材制造技术的优势和特点，设计特殊的刀具结构，并选择合适的粉末参数；也可按客户的要求生产半成品或成品。同时，Horn可以结合其在机械加工和测量方面的优势满足客户的要求。

Review

          目前在刀具制造中应用的3D打印技术主要有两种。一种是本文中Horn公司使用的选区激光熔化技术，制造金属刀具特殊的槽形或者刀具内部复杂的冷却通道；一种是3D科学谷在之前的文章中提到的Fraunhofer使用的3DP粘结剂喷射技术。

- 选区激光熔化（SLM)的应用

       德国刀具制造企业高迈特（Komet）在非标铣刀定制化生产领域也采用了选区激光熔化，用以加工铣刀中拥有密集出屑槽的刀体部分，刀柄仍然是通过机加工方式大批量制造的，最后通过激光焊接工艺将刀体和刀柄焊接在一起。

高迈特3D打印的非标铣刀，图片来源：雷尼绍

        刀体出屑槽的密度、角度是影响刀具性能的主要因素。如果刀体中拥有密集的出屑槽则能够提升刀具的进给速度和切屑效率，高迈特所使用金属3D打印技术不仅能够制造出更高密度的出屑槽，而且使刀体制造效率得到提升。由于刀体中出屑槽的密度提高了，刀具在进行材料加工时的效率也得到提升，特别是在切削铝合金和碳纤维复合材料时可实现更高的材料切除率。在出屑槽的角度方面，高迈特通过3D打印术将螺旋角从4-5度提高到20度。通过3D打印制造出的刀具内部冷却通道具有复杂的螺旋状几何结构，提高了冷却液到刀具顶部的流动过程中的热传导能力，提高刀具寿命以及刀具运转速度。

       玛帕公司利用选区激光熔化创造QTD系列刀具复杂的螺旋冷却通道，从而提高了冷却液到钻头顶部的流动过程中的热传导能力。玛帕的钻头与之前的钻头相比使用寿命更长、运转速度更快。通常这种内冷的刀具直径不能太小，在通过3D打印之前，玛帕公司最小的直径只能做到13mm, 而通过3D打印技术可以制造的范围在8mm到32.75mm。对于液压刀柄，玛帕公司借助 3D打印技术找到了合适的解决方案，通过采用专门的钢基金属粉末以及重新涉及液压刀柄的设计，玛帕公司的新设计显著提高了热传导的能力。

-3DP粘结剂喷射技术的应用

德国 Fraunhofer 研究所使用3DP粘合剂喷射技术打印生产硬质合金模具。

       3DP是一种粘结剂喷射打印技术，在这个过程中，陶瓷硬质材料的粉末颗粒，包括碳化钨颗粒通过含钴、镍或铁的粘结材料层层打印粘结起来。这种粘合材料不仅是粉末层之间的粘结剂，还使得产品具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。这些3D打印的硬质合金模具比传统方法生产的模具具有更大的几何槽形自由度，可以制成更复杂的几何形状。

     哈尔滨理工大学也在进行3DP的研究，通过3DP打印技术制备了硬质合金球头铣刀。

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