研究人員對比不同金屬3D打印方法成形H13工模具鋼，評(píng)估工業(yè)應(yīng)用適用性

2026年2月，南極熊獲悉，來自弗羅茨瓦夫科技大學(xué)的研究人員發(fā)表了一項(xiàng)對比研究，評(píng)估了五種用于生產(chǎn)H13工具鋼的金屬增材制造方法，發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)在密度、微觀結(jié)構(gòu)和熱處理響應(yīng)方面存在顯著差異。

相關(guān)研究以題為“Comparative Study of DifferentAdditive Manufacturing Methods for H13 Tool Steel”的論文發(fā)表在《材料》（Materials）期刊上，比較了基于絲材擠出、粘結(jié)劑噴射、激光粉末床熔融和定向能量沉積四種方法，以評(píng)估它們在工業(yè)工具應(yīng)用中的適用性。

論文鏈接：https://doi.org/10.3390/ma18235299

H13是一種廣泛用于鍛造、壓鑄和擠壓模具的熱作模具鋼，它的抗熱疲勞、耐磨和耐高溫性能至關(guān)重要。雖然金屬3D打印技術(shù)催生了諸如隨形冷卻通道等新型模具設(shè)計(jì)，但作者指出，目前尚缺乏在可比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下對多種H13增材制造工藝進(jìn)行系統(tǒng)比較的研究。

△采用粘結(jié)劑噴射、激光粉末床熔融和直接電子沉積方法打印的樣品經(jīng)不同熱處理工藝后，用硝酸酒精溶液腐蝕的H13鋼的微觀結(jié)構(gòu)。圖片來自Widomski等人，Materials（2025）。

密度和孔隙率是區(qū)分熔融法和燒結(jié)法工藝的關(guān)鍵因素

本研究考察了熔融沉積成型與燒結(jié)（FDMS）技術(shù)，使用了兩種商用系統(tǒng)、粘結(jié)劑噴射成型系統(tǒng)、激光粉末床熔融（LPBF）系統(tǒng)以及基于絲材的定向能量沉積（DED）系統(tǒng)。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，燒結(jié)工藝和熔融工藝之間存在明顯的差異。

FDMS樣品的孔隙率最高，約為6%至9%以上，孔隙和裂紋集中在層間和晶粒交界處。粘結(jié)劑噴射成型工藝顯著提高了密度，孔隙率約為0.7%，而LPBF和DED工藝則制備出接近完全致密的部件，孔隙率低于0.1%。

△不同方法的孔隙率比較。圖片來自 Widomski 等人，Materials (2025)。

由于FDMS樣品內(nèi)部缺陷含量較高，因此被排除在后續(xù)的熱處理評(píng)估之外。研究人員得出結(jié)論，這種程度的孔隙率會(huì)影響硬度測量結(jié)果，并增加淬火過程中開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

熱處理效果取決于打印工藝

對粘結(jié)劑噴射成型、LPBF 成型和DED 成型的樣品進(jìn)行了熱處理試驗(yàn)，包括回火、淬火和淬火后回火，溫度符合工業(yè) H13 標(biāo)準(zhǔn)。

△熱處理工藝

粘結(jié)劑噴射成型的樣品在初始打印狀態(tài)下硬度較低，但經(jīng)后處理后硬度顯著提高，達(dá)到與傳統(tǒng)處理的H13相當(dāng)?shù)乃健Ｗ髡邔⑦@種現(xiàn)象歸因于燒結(jié)過程中引入的化學(xué)偏析，這種偏析促進(jìn)了回火過程中二次碳化物的析出。

LPBF樣品在打印后立即表現(xiàn)出高硬度，這反映了快速凝固和構(gòu)建過程中反復(fù)的熱循環(huán)。額外的回火處理進(jìn)一步提高了硬度，表明在制造過程中回火不完全。

DED樣品也表現(xiàn)出較高的打印硬度，但后處理性能有所不同。DED工藝中較大的熔池和較慢的冷卻速率導(dǎo)致了大量的打印過程中回火，限制了額外熱處理的益處，在某些情況下甚至?xí)?dǎo)致過度回火。

△采用以下打印工藝對 H13 鋼進(jìn)行不同熱處理后的硬度：（a）粘結(jié)劑噴射，（b）LPBF，和（c）DED。圖片來自 Widomski 等人，Materials（2025）。

根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)、硬度發(fā)展、沉積速率以及精度和設(shè)備成本等實(shí)際考慮因素，作者得出結(jié)論：沒有一種增材制造方法是 H13 模具普遍最佳的。

對于需要接近理論密度和穩(wěn)定機(jī)械性能的高精度刀具制造，激光粉末床熔融（LPBF）被認(rèn)為是最佳選擇。定向能量沉積（DED）被認(rèn)為是大型刀具、維修以及對沉積速率要求高于表面光潔度要求的應(yīng)用的理想選擇。粘結(jié)劑噴射成型被認(rèn)為是一種可行的高精度小批量生產(chǎn)方法，前提是產(chǎn)量足以抵消較高的系統(tǒng)成本。

FDMS 雖然是最容易獲得且成本最低的選擇，但研究發(fā)現(xiàn)它只適用于可以容忍較低密度和降低機(jī)械性能的應(yīng)用。

金屬增材制造在模具領(lǐng)域的應(yīng)用前景

金屬增材制造技術(shù)已被應(yīng)用于對熱疲勞、耐久性和尺寸穩(wěn)定性要求極高的生產(chǎn)模具制造領(lǐng)域。在汽車壓鑄領(lǐng)域，金屬增材制造技術(shù)能夠制造出帶有隨形冷卻通道的模具，而這種通道是傳統(tǒng)機(jī)械加工無法實(shí)現(xiàn)的，從而在嚴(yán)苛的運(yùn)行條件下顯著改善了熱管理。這些應(yīng)用表明，基于熔融金屬增材制造的模具能夠滿足大批量工業(yè)生產(chǎn)的性能和可靠性要求，而完全致密的材料和可控的微觀結(jié)構(gòu)對于此類生產(chǎn)至關(guān)重要。

對于H13等高性能工具鋼，研究表明，增材制造的最終效果不僅取決于材料化學(xué)成分，還取決于工藝的熱歷史。雖然燒結(jié)法提高了加工的可及性，但要達(dá)到功能性工具所需的密度和機(jī)械完整性，仍需要采用激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉積（DED）等熔融法。研究結(jié)果為制造商提供了基于應(yīng)用需求選擇工藝的實(shí)用參考。

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