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。

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，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。

满足复杂性与强度需求个性化批量生产

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。

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。

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）。

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。

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，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。