上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用

上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用轮胎的性能取决于轮胎模具中的花纹设计,花纹是重要而又复杂多变的加工难点,其加工的精密程度直接影响到轮胎的精度和质量,甚至是轮胎的安全、驾驶的舒适度等等。花纹的结构往往呈现出空间三维扭曲、轮胎花纹具有弧度多、角度多的特点,采用传统的加工手段难以精准完成,即使采用电火花加工工艺也存在一些难以解决的问题。

但实现设计的复杂性,是选区激光熔化增材制造-3D打印技术的优势。在轮胎模具制造领域,3D打印技术有两个层面的应用:首先是复杂轮胎模具,尤其是高性能要求的冬季胎或雪地胎模具中的钢片制造,这一技术已在国内外轮胎模具大厂中投入使用;另一个层面是复杂花纹模具的一体化制造,即无需单独制造钢片、镶嵌钢片,虽然目前仍存在变形、成本高等应用难点,但这一应用在工序简化和提升轮胎性能方面极具优势。

3D科学谷将通过两期文章,分享机械加工企业GF 加工方案在以上两个层面中的应用案例及技术解决方案。

本期分享的是,GF 加工方案的金属增材制造技术在轮胎模具钢片生产中的应用。在下篇中,3D科学谷将分享GF 加工方案如何通过打印策略优化,应对复杂花纹模具一体化增材制造中存在的难点,以及与其他加工技术相衔接的整体解决方案。

上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用

上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用 满足复杂性与强度需求

上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用 个性化批量生产

轮胎行业巨头米其林做为最早应用增材技术的企业之一,米其林最初涉及增材技术的时间可以追溯到 2000 年。经过数年的潜心研究及试验,米其林在 2014 年推出的通过增材制造模具制造的高端轮胎-CrossClimate Range ,这一技术使轮胎在寿命周期内始终保持高性能表现。随后推出的全天候轮胎 Premier A/S 和 LTX 系列产品,也是通过同样的技术制造的。

国内轮胎企业在增材技术的应用主要着眼于钢片制造,如山东豪迈应用金属3D打印技术生产的钢片具有复杂、立体的纹路,从而使子午线橡胶轮胎具有冬季雨雪路面持续移动、夏季干燥路面有效制动及磨损胎面新沟槽持续牵引等优势 。

轮胎的外形是橡胶在轮胎模具中硫化形成的,而冬季胎或雪地胎的窄缝(见下图)是由模具上相对应的钢片成型的。

上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用全天候胎(左)和雪地胎(右)纹理比较。来源:GF 加工方案

随着对轮胎性能和质量要求的提高,原本就复杂多变的花纹图案,复杂程度也越来越高。花纹结构开始出现了空间三维扭曲、弧度、角度多的特点(图3),采用传统加工手段已经难以满足所需要的精度。

此外,一副模具上需要的钢片种类越来越多,原来以冲压大批量生产钢片的方式已不具备成本优势。而消费者日新月异的要求,则直接导致了轮胎花纹更新换代速度加快,同时对生产商提出了更为严苛的要求:模具数量少、多样且形状复杂。应对少量、多样化和复杂的设计,正是3D打印技术的优势所在。

上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用典型的3D打印钢片(空间三维扭曲、多弧度、多角度)。来源:GF 加工方案

在轮胎模具制造中,3D打印最经典的应用案例非钢片莫属,无论是尖边、圆边、3D 立体结构,或者用来固定钢片设计的细微纹理,都能透过3D打印来实现(见下图)。

上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用3D打印钢片的特点。来源:GF 加工方案

此外,同一批次的生产可以打印多种尺寸、形状的钢片,使用 3DXpert 软件更可以修改钢片设计,真正意义上做到个性化的批量生产。使用 GF 增材制造设备生产的钢片,密度可达到 99.50%,使用不锈钢材料打印钢片的强度达到 1000MPa 以上,使用模具钢打印钢片的强度达到 1800MPa 以上。

上篇-钢片还是复杂花纹一体化模具? 3D打印在轮胎模具制造中的两种应用同一批次的不同钢片设计。来源:GF 加工方案

同时,为了提升增材技术的经济效益,降低钢片单件生产成本,极大化每一盘面 (each build) 能打印的钢片数量至关重要。目前一个3D打印钢片的成本约在 10 – 50 人民币之间,成本的差异除了钢片设计不同,也受到增材设备性能影响。举例来说,标准增材设备的打印成型面积为250 x 250mm,性能好的设备基本能用上全部的打印空间,一个盘面上打出来的钢片完全能满足强度要求。而有的设备可能只能利用到打印盘面的五、六成,其单件生产成本骤然增加。

目前 ,3D打印钢片发展的趋势除了形状复杂程度增加,产品也越来越薄,且对强度的要求越来越高, 因此对于设备的性能要求也越来越严苛。GF 金属增材制造设备具有优化的光路、风场设计,以及大于行业平均的成型面积(275x275x380mm),实现复杂钢片的低成本、高质量生产。

如上所述,轮胎性能取决于模具花纹,花纹的关键取决于钢片设计。增材制造的钢片充分发挥了技术特点,大大提升了轮胎模具的性能,增加企业竞争力。

–下篇预告–

3D打印的钢片仍面临着在模具中进行镶嵌的问题。当前,钢模多采取人工镶嵌的方式,即在模具型腔内加工出钢片槽,然后用人工将加工好的钢片镶进去。少量的钢片在模具制造中不成问题,但一副冬季胎模具经常需要动辄上千片的钢片,有些特殊设计的轮胎甚至使用了超过 4000 片钢片。

钢片镶嵌仍然是模具制造商十分困扰的问题,尤其伴随钢片数量增加而来的钢片距离减少,导致空间过小而难以施展,此问题对于距离小于 5 – 6mm 时特别明显。

而通过金属3D打印技术直接制造整块复杂花纹模具,有望简化工序,克服目前钢片镶嵌中存在的困扰。事实上,增材制造行业里不乏此种尝试,但是大多停留在技术验证阶段,且并不具备量产性。

在下一期的轮胎模具增材制造文章中,3D科学谷将分享GF 加工方案如何通过打印策略优化,应对复杂花纹模具一体化增材制造中存在的难点,以及与其他加工技术相衔接的整体解决方案,敬请关注。

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