1、3D打印与模具行业白皮书2.0Whitepaper of 3D Printing and Die&Mould Industry白皮书赞助方：Sponsors:Version ID:201910153D科学谷白皮书系列-Whitepaper-3DScienceV中文EnglishWhitepaper targeted to each application segmentFusionconvergenceUpgradingmultidimensionalglobalAME to fuse knowledge and insightsWebsitesWeChatbooks3D科学谷核心竞争力-整合

2、力量与影响力Core Strength Integrative the Power and Influence能量聚合融会贯通AME论坛深化认知白皮书系列针对每个典型应用及细分市场网站手机端模具行业基本情况电子产品模具汽车产品模具电机模具电器模具仪表模具家电模具家电模具模具万业之母模具是“万业之母”，主要应用在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯领域.中国、美国、日本、德国、韩国、意大利六国为全球主要的注塑模具和冲压模具生产国， 其中，中国的模具产值为世界之最。对比分析世界主要模具制造国家的模具市场分布情况，其中汽车行业模具需求最大，占比约34%;电子行业需求占比约28%; IT 行业需求

3、占比约12%;家电行业需求占比约9%; OA 自动化行业需求占比约4%;半导体行业需求占比约4%;其他行业需求占比约9%。1模具产业特点与产值模具消费：美国和欧洲是模具的消费大国，对世界模具价格的影响很大。当前，中国模具的国际价格属于中等偏下，对世界模具价格影响很小。模具生产：日本有约10,000家模具企业，美国约7,000家，德国约5,000家，中国约20,000家模具企业。2世界模具市场数据来源：调研结果世界模具消费结构分布By:世界模具生产企业数量数据来源：VDMA, CDMIABy:中国、美国、日本、德国、韩国、意大利六国为全球主要的注塑模具和冲压模具生产国， 其中，中国的模具产值为世

4、界之最。对比分析世界主要模具制造国家的模具市场分布情况，其中汽车行业模具需求最大，占比约34%;电子行业需求占比约28%; IT 行业需求占比约12%;家电行业需求占比约9%; OA 自动化行业需求占比约4%;半导体行业需求占比约4%;其他行业需求占比约9%。3世界模具市场来源：中国产业信息世界模具应用行业分布情况4世界模具市场日本日本的模具制造技术仍处于世界领先地位。日本共有模具生产厂约10000家，其中20人以下的占91%以上，日本模具业主要靠专业化分工，完成高质量的模具设计、加工。美国美国现有约7000家模具企业，90%以上为少于50人的小型企业。美国模具钢已实现标准化生产供应，模具设计

5、制造普遍应用CAD/CAE/CAM技术，大型、复杂、精密、长寿命、高性能模具的发展达到领先水平。德国德国有模具企业约5000家，其中90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%。在激烈竞争中，德国模具行业多年保持住了在国际市场中的强势地位，出口率一直稳定在33%左右。5中国模具产业特点与产值随着现代化工业的发展，模具已广泛应用于汽车、家电、消费电子、仪器仪表、航空航天和医疗器械等产品，其中约 60%-80%的零部件产品需要依靠模具加工成型。据统计资料显示，模具可带动其相关产业的比例大约是 1:100，即模具发展 1 亿元，可带动相关产业 100 亿元。据国家统计局数据显示，我国模具行业工业

6、总产值已从2010年的1367.31亿元上升到2017年的2509亿元。中国模具行业工业产值中国模具行业工业产值来源：中国产业信息6中国模具产业特点与产值我国模具制造厂点约30000 家，从业人员约100万人。2015 年全国模具总销售额约1718亿元，企业自用模具产值约400亿元。到了2016年全国模具总销售额达到了1800亿元。2013 年至2015年，我国模具总销售额的年均复合增长率达到 6.1%。预计2018年全国模具总销售额及将接近2000亿元，预计到了2020年全国模具总销售额将达2188亿元。中国模具行业总销售额（中国模具行业总销售额（2013-2020）来源：中国产业信息美国的

7、模具市场对小批量，复杂模具的生产采用3D打印的方式来完成的市场接受程度高。全国范围来看，3D科学谷预测3D打印在模具领域可渗透的市场发展空间约37亿美金（2020年）。该数据包括3D打印设备、材料、模具产品的3D打印服务。7中国模具3D打印市场预测美国Ohio州模具市场中的3D打印发展空间（2020年）8模具分类根据成型材料不同，模具可分为金属成型模具、塑胶成型模具、其他成型模具；根据成型方法的不同，模具可分为注射模、冲压模、压铸模、锻压模；根据加工精度不同，模具可分为普通精度模具和精密模具。模具冲压模压铸模塑料模锻模 9模具分类我国模具产业冲压模约占37%，塑料模约占43%，铸造模（包含压铸

8、模）约为10%，锻模、轮胎模、玻璃模等其他类模具占10%。与工业发达国家的模具产业结构基本一致。中国模具产业结构中国模具产业结构10精密模具加工特点精密模具制造质量要求高，不仅要求加工精度高，而且还要加工表面质量好。一般来说，模具工作部分的制造公差都应控制在0.011mm以内，有的甚至要求在微米级范围内，模具加工后的表面缺陷要求非常严格，而且工作部分的表面粗糙度要求Ra0.8um。精度高精密模具的工作部分一般都是二维或三维的复杂曲面（尤其型腔模具），而不是一般机械加工的简单几何型面。形状复杂塑料模具其硬度要求较高，一般都是用淬火合金工具钢或硬质合金等材料制成。硬度高参考来源：百度百科11冲压模

9、具汽车制造业是冲压模具最重要的下游应用行业之一，汽车生产中90%以上的零部件需要依靠模具成形，一般生产一款普通的轿车需要1000至1500多套冲压模具，约占整车生产所需全部模具产值的40%左右。随着汽车工业的快速发展，冲压模具也进入了快速发展时期。目前国内汽车冲压模具具备成本优势，采购重心向国内转移。国内汽车模具价格仅为欧美和日本的70%和50%左右。成本因素驱动下，汽车模具的采购重心不断从欧美、日本等发达国家转移至发展中国家。因此近年来，我国冲压模具行业呈现出显著的增长趋势。基于增加新能源车续航能力的考虑，各大汽车厂商在其新能源车型中更多地采用较轻的铝合金压铸结构件和热冲压结构件；以特斯拉（

10、TESLA）ModelS系列车型为例，其95%的车身结构件为铝合金材质。新能源汽车产销量的持续高速增长，将带动汽车铝合金压铸结构件和热冲压结构件的快速增长，进而带来汽车压铸模具和热冲压模具需求的增长。我国轨道交通装备行业的市场需求正持续快速增长。目前，轨道交通车辆中，包括齿轮箱壳体、电机壳在内的很多零部件已逐渐采用铝合金材质。在节能环保、轻量化的大趋势下，轨道交通装备中铝合金部品的渗透率将稳步提高。我国轨道交通装备需求的快速发展及其零部件铝化率的提升，为铝合金部品行业和模具行业带来重要发展机遇。12铝合金压铸和冲压市场发展新能源汽车轨道交通当前的3D打印技术在塑料产品的批量制造方面逐渐具有可生

11、产尺寸、价格和速度优势。像惠普、Carbon的设备逐渐在挑战传统注塑领域，3D打印技术对模具的“废”与“立”还在发展变化中。推动塑料3D打印技术进入生产领域的将不仅仅是设备厂商，材料方面像陶氏化学公司，巴斯夫，帝斯曼和沙特基础工业这些大企业一直在幕后研发他们用于3D打印领域的新材料技术。而另一方面，3D打印注塑模具也在进一步提升注塑领域的技术门槛与注塑效率。13注塑模具塑料模具应用分布情况By:数据来源：3D打印与模具143D打印技术在模具制造中的应用现状当前最具优势的应用领域金属3D打印的模具在一些小批量或过于复杂的、随形冷却的模具生产上具有经济优势，针对某些异形、特定的几何形状（专门为3D

12、打印优化的）更具优势。另外，在当使用的材料非常昂贵，而传统的模具制造导致材料报废率很高的情况下3D打印具有成本优势。3D打印技术在中国模具制造中的现状与发展高3D打印应用发展低3D打印应用发展低市场接受高市场接受3D打印随形冷却模具3D打印砂模圆圈大小表示市场潜力3D打印蜡模3D打印塑料模塑料产品塑料样品通过机加工金属模具批量注塑通过SLA光敏树脂固化3D打印技术通过FDM熔融塑料挤出3D打印技术快速模具小批量注塑通过铸造通过SLM金属增材制造技术随形冷却模具 重新设计模具 功能表面的提取和框架条件的规范 选择材料 随形冷却流道设计 拓扑优化 使用FEM计算验证，冷却模拟 3D金属打印的数据处

13、理 模拟3D打印过程 生产（3D打印） 精加工（热处理，支撑结构的去除，表面处理） 质量控制 再加工 用于注塑机和部件的生产163D打印随形冷却模具用于注塑的步骤图片来源：M17案例：3D打印随形冷却模具与传统制造模具性能比较图片来源：3D打印模具砂模3DPSLS砂子光敏树脂SLA/DLP/CLIP砂子精密铸造模具/陶瓷模具MJP/HSS尼龙3DPPMMASLS尼龙FDMABS183D打印技术在模具制造中的应用细分3DP陶瓷陶瓷模具193D打印技术在模具制造中的应用细分SLM/DMLS金属DED金属Hybrid(SLM+CNC)金属随形冷却模具/其他模芯图片来源：Modex 3D, 铂力特20

14、3D打印技术在随形冷却模具的应用金属模具模具CAD模型金属模具-3D打印技术的应用SLM/LENS 金属打印流道处理+热处理+表面后处理等等最终产品SLM+CNC铣削混合金属打印流道处理+热处理213D打印砂芯、熔模的应用缸体制造3D打印的三种工艺上游Upstream中游Mid-Stream下游Mid-Stream机加工CNC Metal Cutting通过3DP技术打印砂模3DP print sand mould熔融金属通过砂模浇铸成型Metal casting221通过3D技术打印熔模3D print investment mould通过熔模覆耐火材料，然后烧掉熔模获得型壳Precisio

15、n cast Mould113金属3D打印技术打印Metal 3D Printing产品Product更多关于3D打印模具在铸造领域的应用，请参考3D科学谷发布的3D打印在铸造领域的价值与应用趋势砂模铸造六部曲223D打印与传统的生产方法不同的是，砂模的3D打印几乎不受复杂性的限制，黑洗打印好的砂芯经过黑洗，使它能够承受高的热负荷。安装砂芯3D打印的砂芯随后被插入到一个常规生产的模具里。铸造砂模打印的时候选择的沙粒大小会带来不同的铸造表面精度。取芯砂模和芯是一种失模铸造方法。后处理即使是复杂的几何形状也可以一次打印完成，避免了拼合带来的精度损失，而且底切和复杂的角度部分均一次打印完成，更大量减

16、少了后处理的工作量。图片来源：voxeljet-维捷233D打印技术在蜡模的应用熔模母模模具CAD模型石膏倒模注入金属MJP技术3D打印蜡DLP/SLA技术3D打印树脂蜡模-3D打印技术的应用传统铸造复杂漫长的制作流程可接受的首饰微结构铸造过程中存在不确定性模具限制，设计自由度低与3D打印蜡模相比，还多了蜡模的模具制作工序3D打印蜡模缩短了工艺链可接受的首饰微结构铸造过程中存在不确定性提升了设计自由度，但仍受失蜡铸造限制3D打印金属更短的工艺链最好的首饰微结构层层铺粉过程的加工全过程控制真正意义上的设计自由度24轮胎模具轮胎模具3D打印电火花CNC高速铣削 铝合金精密铸造3D打印应用25随形冷

17、却模具超过20米的冷却通道3D打印制造使冷却通道摆脱了交叉钻孔的限制。可以设计内部通道更靠近模具的冷却表面，并具有平滑的角落，更快的流量，增加热量转移到冷却液的效率。粉末床选择性金属融化3D打印技术可打印如直径小至1.4毫米的冷却通道。左手这对图像显示的网格设计和模拟仿真效果-大量的低速流动，不均匀分布的冷却液。右手这对图像显示的是连续冷却通道设计与仿真效果，具有高和一致的流量。右手的设计带来冷却液流量50%以上的提高，显著提高冷却效果。图片来源：雷尼绍仿真对3D打印模具的重要性26随形冷却模具传统加工条件的原始设计模具的全新设计，具有随形冷却功能3D打印制造使冷却通道摆脱了交叉钻孔的限制。可

18、以设计内部通道更靠近模具的冷却表面，并具有平滑的角落，更快的流量，增加热量转移到冷却液的效率。粉末床选择性金属融化3D打印技术可打印如直径小至1.4毫米的冷却通道。通过随形冷却设计的模具，使得注塑过程中模具壁的温度可降低40C至70C，冷却时间可从22秒缩短至10秒，减少了55%。通过实际生产证明，新的模具设计可将成型周期从52秒缩短至37秒。图片来源：雷尼绍Uddeholm AM Corrax 公司为医疗领域制造的随形冷却模具，可以提高医疗领域的产品质量27随形冷却模具图片来源：Uddehom图片来源：SLM SolutionsFrech公司通过3D打印的随形冷却模具，将注塑节拍从12秒降低

19、到5秒深圳德科精密科技有限公司（dMac）为模具制造行业提供一站式的3D金属方案服务，配备德国EOSINT 290激光打印成型设备，提供新型的模具加工方式28随形冷却模具图片来源：Uddehom、西门子西门子通过SiemensNX 为随行冷却模具的制造提供端到端的产品生命周期制造解决方案工具箱后模镶件3D打印原来存在问题包括产品生产量大，但是由于镶件外形的特殊原因导致冷却周期过长；产品表面由于温度过高，导致塑胶在流动过程中有烧焦，困气。通过3D打印模具镶件本体的温度由原来的105摄氏度降低到35摄氏度，产品的冷却周期极大缩短，生产效率提高1.33倍，产品表面完全达到要求，不再有烧焦，困气等现象

20、。29随形冷却模具图片来源：汉邦科技汽车模具冷却镶件3D打印原来存在问题包括产品生产量大，由于镶件外形的特殊原因导致冷却周期过长；模具镶件温度过高，表面氧化，使用寿命减短；产品表面由于温度过高，产生橘皮纹跟变形严重。通过3D打印镶件本体的温度由原来的120摄氏度降低到50摄氏度；产品的冷却周期极大缩短，生产效率提高2.5倍；产品表面完全达到要求，不再有变形现象。30轮胎模具图片来源：铂力特、米其林3D打印技术：打印技术：SLM 金属3D打印技术不锈钢轮胎基模的打印采用3D打印技术使轮胎基模（花纹）形状设计不受限制，基模形状呈多弧度多角度，并可通过CAD模型一次打印成形。与传统工艺相比3D打印技

21、术减少基模生产步骤、提升基模精度、缩短生产周期 。3D打印可以解决复杂、异形轮胎基模在加工时出现的难题，更为轮胎基模形状的多样性提供了更自由的设计空间。轮胎基模，材料 304不锈钢金属3D打印很好的解决了刀具干涉的问题，当复杂性与可制造性不再是困扰轮胎模具制造的最大因素的时候，3D打印很好的释放了轮胎产品设计迭代的便捷性，也催生了新型的轮胎制造能力。米其林已经感觉到增材制造的潜力，并声称唯一的限制是设计师的想象力，通过3D打印技术，米其林设计出独特的雕塑系列轮胎MICHELINCrossClimate+并通过安全认证，使得米其林的轮胎在市场上更具竞争力。31轮胎模具3D打印技术：打印技术：SL

22、M 金属3D打印技术金属3D打印轮胎模具嵌片，与轮胎模具基台相结合。通过多激光技术进行逐层3D打印，轮胎制造商能够创造新的，更复杂的胎面设计，具有精细的小间隙，包括三维结构以及内部干涉结构设计，适用于下一代轮胎型材。图片来源：SLM S323D打印技术：打印技术：SLA3D打印模具鞋底模具鞋模鞋垫、鞋底整鞋鞋面鞋模-看样模、试穿模3D打印技术：SLA、Polyjet图片：PUMMA鞋模-翻砂铸造原型3D打印技术：SLA鞋垫、中底3D打印技术：SLS, HSS, MJF，DLS，FFF鞋外底3D打印技术：SLS，3D Drawing.图片：阿迪达斯鞋面3D打印技术：Voxel8 ActiveMi

23、x多材料鞋面3D打印技术：SLS、FDM 图片： SOLS图片： Voxel8间接应用直接制造随数字化转型而普及中小批量生产批量定制化小批量生产个性化33隐形牙套模具SmileDirectClub 部署了49台HP Jet Fusion 3D打印系统，这些3D打印设备被用于批量定制化生产压制隐形矫正器用的牙模。每天将生产超过5万个牙模, 在未来12个月内将能够生产近2000万个牙模。联泰科技已经与牙科技工所、口腔医院及口腔诊所深入合作，不断提升3D打印技术在齿科行业的应用，得到精确的扫描数据后，联泰科技的3D打印设备Lite 600HD可稳定、高效打印出高精度的牙模。黑格已成功用高精度3D打印

24、技术，制备活动义齿、固定桥、全冠、种植导板、隐形牙套等多种数字化口腔医疗产品，并均有成功案例，规模化应用后，可取代繁杂的手工工序，大大提高牙科技工所的生产效率。图片来源：黑格科技牙模3D打印机品牌3D打印技术：打印技术：SLA, DLP, CLIP, MJF34图片来源：voxeljet-维捷3D打印技术：打印技术：Binder Jetting 3DP3D打印PMMA精密铸造模具德国voxeljet-维捷与法国Sogeclair合作通过Binder Jetting粘结剂喷射3D打印技术成功制造了铝制的仿生学结构舱门。通过仿生力学结构来减少材料使用，从而将重量减轻30，并且不牺牲舱门所需要达到的

25、力学强度。对于3D打印技术来说，加工飞机的舱门同样面临着挑战，一是舱门结构的复杂性，如何避免使用支撑材料从而实现近净形的加工结果；二是舱门结构尺寸大，如何能够满足大尺寸的加工而不需要二次拼接或者焊接。PMMA的材料特性获得了关键的加工结果，与其他3D打印塑料材料相比，PMMA非常适合用于铸造。其主要原因是粉末材料的负膨胀系数，在烧毁薄壁模型的过程中不会导致涨壳，从而不会导致铸造模具的破损，不仅降低了制造中的风险，还满足了近净形的要求。仿生力学机构复杂与大尺寸材料特定带来可预见的结果2018年voxeljet-维捷及其合作伙伴通过将粘结剂喷射3D打印技术应用于规模生产，从而将增材制造提升到新的水

26、平。VJET X生产线有望成为世界上首次汽车关键零件生产领域的集成增材制造解决方案，该项目将利用3D打印的砂芯来铸造关键发动机部件。VX1000-S IOB的打印速度比voxeljet-维捷现有的3D打印机快十倍（速度高达每小时400升），使工业用户能够为汽车发动机等关键零件生产铸造砂型模具。新系统不需要任何干预，因为所有的前后处理步骤都是自动化的。宝马（BMW）推出了全新发动机BMW S58，S58 发动机将取代S55 发动机安装于宝马M车型中。为了满足轻量化以及热管理性能的需求，宝马采用了3D打印技术来制造S58发动机缸盖的铸造砂芯。S58发动机的涡轮压气机和冷却管路都经过重新设计，升级的

27、压缩机和由低温回路提供的间接中冷器，进一步增强了S58发动机的功率输出。3D打印技术不仅使宝马工程师能够实现气缸盖的最小重量，还能够制造出集成冷却通道的复杂缸盖结构，从而优化其热管理性能。图片来源：维捷-voxeljet、宝马353D打印技术：打印技术：Binder Jetting 3DP3D打印模具砂芯36陶瓷芯图片来源：Eagle Engineered, AGC3D打印技术：打印技术：DPC 陶瓷打印、3DP陶瓷芯的打印Eagle Engineered Solutions通过Direct Print Ceramic (DPC)直接打印陶瓷核心技术来生产陶瓷芯，内含涡轮叶片复杂的冷却通道，与

28、3D打印的熔模一起配合使用。粘结剂喷射技术3D打印陶瓷模具日本的AGC在青岛的分公司通过voxeljet-维捷的粘结剂喷射技术3D打印陶瓷模具。AGC开发了3D打印用陶瓷成型材料Brightorb, 通过3D打印的陶瓷模具，用来铸造不锈钢产品。图片：AGC的陶瓷粉末37陶瓷芯图片来源：Lithoz3D打印技术：打印技术：LCM技术技术为了在铸造金属涡轮叶片时可以形成高复杂的内部冷却通道结构，使用陶瓷铸造型芯是非常必要的。铸造叶片冷却后，叶片从模具中取出，同时内部的陶瓷型芯需要溶解掉。目前设计的陶瓷铸造型芯越来越复杂，而通过传统的注射成型方式无法实现 如此高复杂结构的陶瓷型芯。与传统的注射成型制

29、造叶片型芯技术相比，3D 打印技术是一种无需模具的生产制造技术。因此 3D 打印技术可以绕过传统工艺必须的、昂贵而又复杂的模具制造部分。Lithoz公司的LithaCore 450 是一种可以 3D 打印制备高精度、高细节陶瓷叶片型芯的材料。烧结后的叶片型芯产品具有非常低的热膨胀率、较高的孔隙率、优异的表面质量和优良的洗滤性等优点。典型的应用有：用来生产单晶镍基合金的涡轮叶片的铸造型芯；定向凝固铸造型芯；等轴铸造型芯。通过 LCM 技术生产的陶瓷叶片型芯。具有以下特性：（1） 优良的尺寸重复性和公差（2） 最大尺寸可达 300mm（3） 表面光洁度 Ra 3 m ，保证合金铸件内部通道的表面质

30、量（4） 高复杂结构，如机翼最薄处可达 200 38冲压模具图片来源：舒勒3D打印技术：打印技术：SLM技术技术舒勒通过金属3D 打印技术开发了随形冷却热冲压模具，让内部的冷却通道更接近冲压表面，从而通过“内部功夫”来提高冲压质量和效率。热冲压模具调试周期短，使用寿命在20-30万个冲程，热作镶块具互换性，制造成本低，在汽车领域获得越来越广泛的应用。热冲压模具需要内部冷却渠道的冷却介质来使得退火板材的温度迅速降到200摄氏度以下。以前，冷却通道是通过在模具内部钻孔的方式来完成的，所以这些内部冷却通道要想连续的贴近冷却表面是不可能的，特别是当涉及到复杂的表面形状时。但现在，在3D打印技术的帮助下

31、，舒勒通过粉末床选择性激光融化3D打印的方式获得灵活的随形冷却内部通道的制造方法，这使得冷却更迅速，冷却效果更均匀。舒勒认为3D打印技术将为热冲压模具的制造带来革命性的变化。39模具镶件 - DLP图片来源：丹麦技术大学（DTU）3D打印技术：打印技术：DLP技术技术DLP 3D打印技术制造的注塑模具镶件，则能够实现在复杂表面上创建微观特征，与基于CNC 加工的传统模具加工工艺相比，能够显著降低加工时间和成本。这种模具适合生产设计变化大，并且中等批量的塑料件（1000-10,000次循环）。此外这种模具可以生产标准商用注塑板，不需要使用特殊的注塑模板。对于制造带有复杂表面和具有微观特征的模具镶

32、件来说，3D打印不失为一种经济高效的方法。该方法在制造复杂微观特征的塑料医疗器械和植入器械领域具有应用潜力。40大型模具3D打印技术：打印技术：LSAM 技术技术昂贵的设备，对加工工艺极端苛刻的要求，都使得大型零件的注塑模具成为模具制造中的一大挑战。普渡大学复合材料制造和模拟中心，Thermwood公司，应用复合材料工程（ACE）和Techmer PM的联合团队实现了通过3D打印PSU复合材料模具来实现直升机零部件的制造目的。通过Thermwood的大型增材制造（LSAM-Large Additive Manufacturing）系统对直升机的模具进行了一次性3D打印与机加工工序。3D打印模具

33、的材料比标准模具材料的成本低34，在劳动时间方面的生产速度提高了69，3D打印模具只需三天时间就可以制造完成，而传统的模具制造需要八天时间。图片来源：T41其他模具图片来源：PTI，BAAMPTI马科姆工程塑料的医学模具PTI所制造的这个模具是用于医疗行业的，模具有7英寸高，与仿真结果一致的是，模具并没有产生裂纹，注塑的节拍从原来的46.5秒减少到41.5秒。空心模具在注塑过程中所用到的冷却介质是液体二氧化碳。3D打印技术：打印技术：SLM 金属3D打印技术PTI 3D打印的真空模具PTI 的注塑结果(AMO)的叶片模具叶片模具长达13米，叶片切割成适合3D打印的尺寸大小，并设计了完整的装配孔

34、和内部轻量化结构，通过BAAM 3D打印系统进行3D打印。3D打印技术：打印技术：FDM熔融挤出技术42其他模具图片来源：DM3D, Ecoparts外钢内铜的模具铜合金的热传导率几乎是工具钢的6倍。这种导热性使得铜就像热流道一样能够快速带走注塑中的热量。3D 打印钢复合铜的技术减少成型周期26的时间。DM3D打印的模具压铸产品：铝制产品3D打印技术：打印技术：直接金属沉积（DMD）技术（LENS技术）3D打印与传统加工方式的结合瑞士的Ecoparts的热流道浇口系统使用混合制造技术：下半部分通过传统车削技术，上半部分通过增材制造技术预留内冷通道3D打印技术：打印技术：SLM选择性激光融化技术

35、混合加工方法制造的模具模具制造集群集群江苏苏州兰佩铸造、远轻模具、鸿准精密模具（昆山）、昆山中大模架、昆山华星、六和精密（昆山）、动龙精密、昆山普达、昆山晟扬、昆山智广、无锡国盛、无锡海特、无锡腾达、扬州达成、扬州恒德、宝应江淮.上海赛科利、华庄、千缘、屹丰、黄燕，荻原、伟世通、联恒、宏旭、台丽通等.广东巨轮，昌红，圣都，河源龙记，志和塑料五金，中泰五金模具，耐普罗，伊势塑胶五金模具，导新模具，贝尔罗斯，联塑机模具，忠信制模.陕西Shan Xi北京Beijing上海Shanghai江苏Jiang Su广东Guang Dong浙江北仑华朔模具、北仑辉旺铸模、吉业汽配模具、黄岩东方州强塑模、黄岩东

36、源、黄岩丰久、黄岩源宏机械、宁波吉烨汽配、宁海方正汽车、宁海双林、宁海跃飞、宁海震裕、台州滨海模塑、台州市黄岩华塑、台州星星山东山东豪迈、青岛方圆、青岛海信、青岛豪迈宏毅、华泽精密模、烟台爱开天隆.天津天汽模、国丰、金海天44模具集群中国的模具行业从地区分布看，以珠三角、长三角以及安徽、河北等地区发展较快。广东是中国主要的模具市场，是中国最大的模具出口与进口省，长三角在中国占约四成份额。广东模具产值将近全国总量的一半，典型企业包括广东巨轮模具、深圳昌红模具、广东圣都模具。中国模具产量集中度概况中国模具产量集中度概况数据来源：调研结果江苏重点企业有苏州兰佩铸造、远轻模具主要生产汽车发动机及轮毂等

37、部件压铸模和铸模。昆山中大模架、昆山精密模具标准件、昆山华星模具导向件专业生产各种大型模架、模具导向件、模具弹簧等标准件广东全国排序前10名的企业中，广东占有5家世界最大的模架供应商和亚洲最大的模具制造厂都在广东。广东巨轮模具，昌红模具，圣都模具，河源龙记金属制品，志和塑料五金，深圳市中泰五金模具，广州耐普罗模塑胶制品，广州伊势塑胶五金模具，广州导新模具，贝尔罗斯(广州)工程塑料，南海星联塑机模具，忠信制模45模具集群浙江省模具工业主要集中在宁波市和台州市，宁波市的宁海、余姚、慈溪及鄞州主要生产塑料模具，北仑以压铸模为主，象山和舟山以铸造和冲压模具为主。台州市主要模具生产企业集中在黄岩和路桥，

38、塑料模具占大多数。浙江上海上海生产汽车中冲压、塑料、压铸等模具企业近70家，年产值约20亿元，民营企业如华庄、千缘、屹丰、黄燕，合资企业如荻原、伟世通，台资企业如联恒、宏旭、台丽通等大多年产值在5000万元以上，其中有近7家企业达亿元的年产值，个别企业年增长率达100%。天津与河北泊头形成模具生产集群，典型企业包括天津汽车模具、ACI（天津）模具、天津国丰模具、天津金海天精密模具、泊头河北兴林车身模具、泊头市京泊汽车模具、河北金环模具、黄骅市荣泰模具、任丘市现代模具等。天津/河北山东山东模具主要集中青岛地区，主要企业包括山东豪迈、青岛方圆、青岛海信、青岛海尔、青岛国增、方圆模具、青岛创策、济南

39、优科、青岛锯祥、青岛豪迈宏毅、华泽精密模、烟台爱开天隆等。46模具集群3D打印对模具的替代3D打印与注塑竞争的可能性有多大？无疑，注塑工艺的优势在于大批量，而3D打印的优势在于小批量或者是用于非常复杂的设计。目前，要替代掉注塑工艺，3D打印的发展空间要么是小批量简单设计，要么是大批量非常复杂的设计。而3D打印技术要想在小批量简单产品的生产工艺上取得一席之地，就需要在打印价格方面更便宜。3D打印技术要想在大批量复杂产品的生产工艺上获得比注塑工艺更大的优势就需要打印速度更快。3D打印与注塑工艺PK的空间Large Quantity 大批量Small Quantity 小批量high-complex

40、ity复杂Low-complexity简单大批量复杂产品Faster / 3D打印需要速度更快小批量简单产品Cheaper / 3D打印需要更便宜大批量简单产品传统注塑更具优势47直接塑料打印vs注塑48此外，金属打印设备的价格很高，不过，到2020年，专家预测入门级金属3D打印系统的降价幅度将高达60。在这种情况下，以金属粉末为原材料的增材制造方式会占据铸造厂市场份额的很大一部分，特别是对于中小型组件来说。但是，它不会完全取代连续铸造工艺。根据德国工业级3D打印设备及方案提供商voxeljet-维捷的统计，3D打印金属零部件的平均价格大约为铝每公斤300欧元，不锈钢大约为每公斤400欧元，特

41、殊合金每公斤高达1300欧元。与铸造来直接比较，纯铸钢的价格为每公斤6.50至32欧元左右。材料设备vs当前铸造与直接金属3D打印相比的优势49vs当前铸造与间接金属3D打印相比的优势间接金属3D打印作为一种新的制造技术，在效率和价格方面具备一定的优势，在实现产品的轻量化及复杂性方面具备一定的优势。然而，铸造在制造行业是一种合格和有着成熟认证体系的工艺，在与制造业的产业化融合方面，铸造有着明显的优势。此外，间接金属3D打印当前以不锈钢为主要材料，铸造却可以在成千上万种的金属和复合材料中进行选择。认证材料3D打印相关技术50砂型、熔模的3D打印Kocel: 宁夏共享，FHZL:佛山峰华卓立，AH

42、L:安徽恒利，OGGI 3D:佛山奥基德信砂型3D打印机越来越多地被铸造厂引用，为重型设备和机械零件制造砂芯模具。与传统方法相比，砂型3D打印在生产模具方面不仅快速，还可以实现更复杂的形状。更多信息，请参考3D科学谷发布的3D打印铸造白皮书51随形冷却注塑模具的3D打印PBF粉末床熔融金属3D打印（DMLS,SLM,EBM)01DED定向能量沉积金属3D打印(LENS, EBAM,RPD)02间接金属3D打印(Binder jetting，NanoParticle Jetting, Resin Curving, FFF)03Pros: 更复杂的构造，更好的冶金性能Cons: 昂贵，效率慢，尺寸

43、小Pros: 节约材料、变革材料冶金技术，* 实现非平衡、梯度、难熔等高性能材料的数字制造Cons: 工艺控制难，材料昂贵* 部分参考自王华明院士Pros: 更复杂的构造，经济、高效Cons: 适用的材料有限* 直接金属3D打印设备与材料品牌请参考3D科学谷网站4252随形冷却模具的3D打印 金属打印*GF 加工方案与3D Systems 合作推出双品牌金属3D打印解决方案53熔模的3D打印 热熔塑料SLS:UltimakerAirwolf 3DCosine AdditiveRobozeDDD MaterialPolymakereSun 深圳易生PA 3D 打印材料：EOS、Evonik、Fa

44、rsoon FDM:Multi Jet Fusion-多射流熔融 :HSS-高速烧结:54熔模的3D打印 从熔模到陶瓷模具- 精密铸造- 光固化Carbon的数字光合成（Digital Light Synthesis ,DLS）技术是福特采用的其中一种3D打印技术，使用的材料是EPX（环氧树脂）82。DLS技术是通过连续液体界面生产（CLIP）实现的。该工艺使用数字光投射，透氧光学元件和可编程液体树脂，制造出具有“优异机械性能，分辨率和表面光洁度”的零件。EPX（环氧树脂）82已通过了福特严格的性能标准测试，包括：室内风化，短期和长期热暴露，紫外线稳定性，流体和化学耐受性，易燃和雾测试等。55

45、陶瓷的3D打印陶瓷3D打印的技术主要有，激光扫描固化成型技术（SLA）、数字光处理技术（DLP）、粘结剂喷射3D打印(Binder Jetting-3DP)、材料喷射（Material Jetting)。另外还可以通过光固化3D打印技术打印出熔模，覆陶瓷的方式，获得陶瓷模具。光聚合成型陶瓷坯体脱脂烧结陶瓷构件SLADLP打印陶瓷3D打印陶瓷粉末+粘结剂陶瓷坯体脱脂烧结陶瓷构件3DP打印陶瓷3D打印陶瓷墨水陶瓷坯体脱脂烧结陶瓷构件材料喷射打印陶瓷北京十维科技，浙江迅实科技，深圳长朗，中瑞科技，昆山博力迈，因泰莱、法国3DCeram-武汉三维陶瓷科技、奥地利LithozSLADLP打印陶瓷3DP打

46、印陶瓷voxeljet-维捷材料喷射打印陶瓷X软件56随形冷却模具的设计细节水路的直径左图是传统钻孔方式加工的冷却水路，右图是随形冷却水路。传统冷却水路的冷却时间为50.89秒，随形冷却水路冷却时间为44.97秒，减少了12%。增材制造技术规避了钻孔方式的一些局限性，但是在设计水路时仍需将直径设定在经过实践验证的常用尺寸范围内，从而降低这种技术的不确定性。横截面面积截面为泪滴形状的冷却水路。入口和出口处的直径为7/16英寸（约11.11 mm），泪滴形状水路的横截面面积在设计时需要保持一致。在该案例中，泪滴形随形水路的横截面周长为1.574英寸（约39.93 mm），而同样面积的传统圆形水路的

47、周长为1.374英寸(约34.90 mm)，泪滴状随形冷却水路具有更大的表面积将模具中的热量带走。在设计3D打印随形冷却水路时应保持水路的横截面积不变，从而保证恒定体积的冷却液体通过水路。57随形冷却模具的设计细节与模具表面的距离对于大多数随形冷却水路来说，与模具表面的距离取决于零件的几何形状。在设计与模具表面的距离时，有一个需要遵守的原则是，使随形水路与模具表面始终保持相同的距离，从而达到均匀的冷却效果。冷却水路的长度尽管通过3D打印技术制造随形冷却水路，不存在刀具损坏等问题，但是在设计时仍不建议将水路设计的过长。这是由于冷却水在较短的冷却水路中可以更为迅速的进出，使热分布更为均匀。58随形

48、冷却模具的设计细节截面积的另一个规则一条大的冷却水路被分为多条小而短的水路，然后再汇入一条大的水路。在这种情况下，多条小水路的横截面积总和应等于大水路入口和出口的横截面积，从而确保水的均匀流动，进一步降低翘曲的风险。旋转结构图中展示的这个冷却水路，在设计时向顶部回路中增加了四个旋转结构。模具冷却水路中的水量是影响模具冷却时间的因素，水量越大冷却循环时间越短。另一个影响因素是水湍流。虽然3D打印随形冷却水路的内表面由于没有经过抛光，所以会产生一些湍流，但是如果在设计时增加旋转结构，则可以产生更多的湍流。59随形冷却模具虽然随形冷却解决方案可以通过降低模具周期时间显着降低生产总成本，但它们也需要复

49、杂的模具设计。精心设计的随形冷却模具通常具有各种非常规曲线，曲折和形状，必须精确放置。设计完成后，这些复杂的模具必须按照与任何其他模具相同的标准制造。传统设计的模流仿真适合3D打印的随形冷却设计的模流仿真Pro/E,UG,SOLID WORK, AutoCAD, Fusion 360, Cimatron, MaterialiseAltair Click2Cast, AnyCasting, THERCAST Nastran, Ansys, Adams建模与优化软件塑胶模具：Moldflow、Moldex3D.铝合金压铸:PROCAST、FLOW3D, Cast-Designer压铸模流分析. 模

50、流分析软件铸造仿真软件锻造仿真软件图片来源：Addsub, MPLM解决方案与在线按需市场平台61基于PLM平台或 CAD软件西门子的优势在于其已经推出的端对端的PLM软件。西门子按需制造市场平台在PLM的基础上继续这方面的努力，并将提供一个能够连接全球制造业社区所有成员，最大限度地利用资源环境，访问增材制造技术并扩大业务机会。法国达索系统-Dassault于2015年推出了其3D打印管理软件3DVIA Make，该软件将帮助各个规模的企业用户实现个性化、定制化的生产，3DVIA Make还并不是按需市场平台，它就像一个嵌件，消费者可以广泛地自定义，并直接下单订购，这些新设计的产品根本就不属于