当整车轻量化成为法规要求与市场竞争的关键，铝合金在车身应用比例持续提升，一体化压铸技术正成为实现结构精简与效能突破的重要路径。在此背景下，压铸模具已从传统成型工具转变为决定技术落地规模与成本的核心环节——尤其在大尺寸、高寿命、高效热管理的模具镶件制造上，谁掌握可靠解决方案，谁就能在轻量化供应链中占据主动。
在本期3D科学谷分享的压铸模具案例中，弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）与其材料合作伙伴MacLean-Fogg及丰田汽车共同开展了一个复杂压铸模具镶件制造项目，验证了一款采用激光粉末床熔融技术和增材制造专用的新型模具钢材料制造的大尺寸增材制造模具镶件，在系列测试中表现出优于传统H13模具的服役寿命。这一项目证明，增材制造不仅可用于实现随形冷却，也具备制造大型、高承载的压铸核心部件的能力，为发展更大吨位的压铸模具提供了可借鉴的工艺参考。
汽车行业转型带来的模具挑战
汽车行业正处于深刻转型期。成本压力与电动化转型正迫使制造商从根本上重构车辆架构与生产流程。当前趋势是减少冲压单件数量，追求以更少、更复杂的结构件实现集成。对于大型铝构件（如车身框架或传动部件），这同时提高了对模具的要求：模具需具备更高的耐热性、支持变体设计，并能快速适应新几何形状。
这一变革带来了新挑战：所需铸模不仅尺寸更大，还需具备更强的抗性、更复杂的几何造型与更短的开发周期。Fraunhofer ILT研究所与粉末材料供应商MacLean-Fogg及终端用户丰田的合作项目，正致力于解决这些难题。
© Fraunhofer ILT
增材制造大体积压铸模具随形冷却镶件，材料L-40模具钢
通过采用Fraunhofer ILT研究所开发的、具有可扩展成型空间的龙门式激光粉末床熔融增材制造设备，以及专为增材制造研发的L-40模具钢，实现了带近轮廓冷却通道的大型压铸模具增材制造——该技术适用于大体积高压压铸部件。
克服大尺寸压铸模具增材制造挑战
随着大型铸造工艺日益普及，高压压铸对模具的要求不断提高。模具必须在极高产量下持续保证零件精度，并承受极端的机械与热载荷。为确保模具镶件具备足够使用寿命，需要为其设计复杂的内部冷却结构，而传统制造工艺无法实现此类结构。
此前，两大关键问题为增材工艺制造此类大尺寸压铸模具带来了挑战。其一，传统激光粉末床熔融设备难以一体成型尺寸达600 x 600mm²或更大的模芯；其二，现有模具钢（如H11、H13或M300）难以在此尺寸范围内实现稳定加工，即使在最优工艺参数下，仍存在开裂、热变形及机械性能不足的风险。
这些问题在激光成形过程及后续热处理中均会出现。制造过程中构件内部温度梯度越大，风险越高，并且这一效应在大体积工件上尤为显著。
© MacLean Additive
为此，项目团队需要针对大尺寸高压压铸模具需求的开发新一代设备与材料。他们通过新设备与材料实现了带自由形态冷却结构的大体积模具制造。这不仅可针对性降低铸造过程中的局部温度峰值，还能在提升模具寿命的同时为实现柔性化生产创造条件。这意味着模具基础平台可长期使用，仅需通过更换通过增材制造、集成有定制化冷却系统的核心功能模块（如型芯或型腔镶块），即可在同一套模具平台上快速切换，生产不同结构或尺寸的铸件，从而避免为每个新零件重复制造整套模具所产生的巨大成本与时间投入。
可扩展的增材制造设备
为此，Fraunhofer ILT研究所对其开发的五激光粉末床熔融设备进行了升级，升级后设备成型尺寸达1000 x 800 x 350 mm³。与传统系统不同，该设备配备可移动加工头与局部保护气体导流系统，可在相同工艺边界条件下沿设备轴线线性扩展成型空间。本项目中通过该设备制造的镶件体积超20,000cm³，尺寸达515x485x206mm³。设备的可扩展属性，意味着未来可制造更大的模具镶件。
© Fraunhofer ILT
Fraunhofer ILT研究所可扩展增材制造设备可实现体积超过20,000 cm³的复杂高强韧模具的可重复制造。
为降低对大体积模具至关重要的温度梯度影响，团队还开发了可加热基板模块。成型平台现可加热至200°C，使每沉积层仅冷却至预设热平衡温度，而非室温。该方法显著降低热诱导应力与制造过程中的开裂风险。大成型空间、高工艺稳定性与主动预热相结合，使该系统成为全球首批适用于经济化生产近净形压铸模具的激光粉末床熔融设备之一，甚至可用于超大型铸造。
这一大型压铸模具制造案例中采用的增材制造L-40材料在制造与热处理过程中开裂倾向显著低于传统工具钢。即使在沉积态下，L-40仍具备高尺寸精度，并在硬度、抗拉强度与冲击韧性方面表现优异。全面测试已成功验证了工艺参数向新设备平台的转移适应性及其在复杂几何结构中的性能表现。
总体而言，可扩展激光粉末床熔融设备与专用材料的结合，实现了带随形冷却通道的大尺寸压铸模具的经济化、可重复生产。初步应用表明，此类模具的使用寿命较传统模具显著延长。
量产模具的混合制造方案
在项目框架内，合作方为丰田已量产的变速箱壳体制造了增材制造模具镶件。该压铸模芯包含传统加工无法实现的复杂随形冷却通道。
© Toyota Europe
这套增材制造的铝合金压铸模具，是丰田雅力士混合动力车型变速箱壳体专用模具的组成部分。该技术被应用的原因在于其尺寸规模，以及传统钎焊工艺难度大、维护耗时长的技术挑战。
项目团队采用混合制造方案：在有垂直冷却通道的特制预制坯上进行增材制造。两个组件的精确定位与可靠连接对设备校准、精度与过程控制提出极高要求。此类混合结构能进一步缩短制造时间、降低成本，因为高成本的激光粉末床熔融工艺仅用于传统工艺无法加工的区域。
研究团队设计的复杂冷却系统可确保模具关键区域在压铸过程中有效控温，从而降低热负荷，显著延长模具寿命。在前期项目中，类似增材制造模具的使用寿命已达传统H13材料模具的四倍。
© Fraunhofer ILT
传统模具与增材制造模具使用寿命对比显示：经优化的随形冷却通道能针对性调控关键区域温度，显著降低热负荷，从而延长模具寿命。在早期项目中，增材制造模具的使用寿命已实现接近四倍的提升。
高压压铸模芯打印完成后，经过去应力退火，其功能表面采用常规铣削精加工。增材制造基体的高尺寸精度仅需进行精密终加工。
为汽车行业开创高效耐用铸模新路径
采用增材工艺制造大尺寸铸模，直击当前汽车生产（特别是电动化转型背景下）的多重挑战。核心优势在于通过3D打印实现可自由设计的随形冷却通道可精准适配模具高热负荷区域，从而降低局部峰值温度，减少热机械磨损，显著延长模具寿命。
同时，增材制造极大缩短了交付周期。传统多部件加工与组装方式被整体式增材制造结构替代，为整车制造商带来更短的开发周期与更快的新平台投产速度。
混合制造技术为大体积模具创造了额外灵活性。具备标准化接口的功能模块可高效集成与优化，无需重新制造整个部件，既节约材料又降低单套模具成本。
对于丰田等致力于柔性化生产、追求部件整合与结构优化的汽车制造商，该项技术发展为模具策略开辟了新可能：降低模具制造成本、延长生产周期，并实现单套模具的多品种柔性生产。
本项目成果证明了由大尺寸激光粉末床熔融系统、创新材料与混合制造构成的完整工艺链能够满足大型压铸领域的模具制造应用。
Fraunhofer ILT研究所表示，这一工艺链不仅适用于大型铝压铸模具镶件，还可拓展至塑料加工与复合材料领域。在任何需要高负载模具、复杂冷却且批量有限的场景中，增材制造都将提供显著优势。
当前，中国新能源汽车的一体化压铸应用正从后地板向电池壳体、前舱总成等扩展，零件投影面积逐步增大，壁厚进一步减薄。国内已具备7,000–12,000T级压铸岛供应能力。我国在模具增材制造领域已取得阶段性进展：国产大尺寸激光粉末床熔融设备（成型尺寸超600mm）逐步普及，“传统基体+增材功能件”的混合制造模式已成为行业关键实践，并初步形成了涵盖仿真设计、工艺控制与后处理的数字链能力。未来，系统化开发适用于增材制造的大尺寸模具材料、提升米级幅面工艺稳定性、构建从设计到验证的完整技术链条，将推动一体化压铸技术规模化应用，为整车轻量化提供稳定可靠的制造基础。
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