硬质合金刀具是一种以超细颗粒碳化钨为主要原材料，以钴、钇等金属元素或其它难熔碳化物粉末为辅助材料的精加工合金，具有硬度高、强度大、韧性好、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，因而适合应用于数控机床中。近日，根据3D科学谷的市场观察，国际上通过粘结剂喷射3D打印技术成就了结构更加复杂、带冷却内流道的硬质合金刀具。

3D打印技术与刀具制造

© 3D科学谷《3D打印与金属切削刀具白皮书》

更加精细、更加复杂

 挑战更出色

        碳化钨是由粉末冶金生产的最广泛使用的高速加工（HSM）工具材料，由硬质碳化物（通常为碳化钨WC）颗粒和较软的金属粘合剂组成。目前，有数百种具有不同组成的WC基碳化钨，其中大多数使用钴（Co）作为粘合剂。镍（Ni）和铬（Cr）也是常用的粘合剂元素，可以添加其他添加剂。一些合金元素。

现代加工操作的严酷条件要求刀具具有出色的硬度和断裂韧性，同时对耐磨性、表面质量和尺寸公差要求很高。硬质金属如碳化钨钴 (WC-Co) 和工具钢如 M2 是此类应用的理想选择，因为它们具有出色且均衡的硬度/断裂韧性、耐高温性和耐磨性，但可能难以制造，甚至对于某些 3D 打印技术来说也是充满挑战的。

传统加工工艺， 通常通过将碳化钨粉末均匀地压在柔性袋中来制造具有高纵横比的大尺寸硬质合金工件或碳化物工件（例如立铣刀和钻头刀柄）。虽然均压法的生产周期比成型方法长，但是该工具的制造成本较低，因此该方法更适合于小批量生产。

硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型来形成。挤出工艺更适合于轴对称成形工件的大规模生产，而注塑工艺通常用于复杂形状工件的大规模生产。在两种模塑方法中，碳化钨粉末的等级悬浮在有机粘合剂中，这赋予碳化钨混合物如牙膏的均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模塑成模腔。碳化钨粉末等级的特征决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例，并且对混合物通过挤出孔口或进入模腔的流动具有重要影响。

通过模塑，均压，挤压或注塑成型工件之后，需要在最终烧结阶段之前从工件上除去有机粘合剂。烧结去除工件中的孔隙，使其完全（或基本上）致密。在烧结时，压制成形工件中的金属结合变成液体，但是在毛细力和颗粒接触的共同作用下工件仍然可以保持其形状。

烧结后，工件的几何形状保持不变，但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸，在设计工具时需要考虑收缩率。在设计用于制造每个工具的碳化钨粉末等级时，必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。

熟悉Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的业界人士不难发现，传统注塑成型工艺制造的硬质合金工件流程中的脱脂，烧结过程与粘结剂喷射金属3D打印技术所需要的后处理过程是一致的。

那么按照这个逻辑去思考，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是否可以替代金属注塑成型工艺或粉末冶金工艺，成就无需模具，且内部结构更为复杂的硬质合金工件呢？

 灵活自定义参数设置

根据3D科学谷的市场观察：西班牙TECNALIA 利用其科学研究知识帮助公司通过颠覆性粘合剂喷射技术取得更大成功。

3D打印技术硬质合金刀具© exone

粘结剂喷射增材制造克服了需要支撑的增材制造工艺的局限性，可用于加工所需但难以加工的硬质金属和工具钢，设计自由度使提高性能的冷却通道能够直接集成到设计中。

3D打印技术硬质合金刀具© exone

在这个案例中，ExOne Innovent 机器可以灵活地自定义参数设置，结合 TECNALIA 团队的工艺和材料专业知识，为该应用定制属性，从而实现了突破，交付具有所需属性的最终部件。

3D打印技术硬质合金刀片© exone

烧结后，获得了密度与传统制造的商业部件相当的部件。此外，该材料的硬度和断裂韧性也相当。

 3D打印释放刀具制造自由度

       使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具在国内外早已有。国际上，早先，德国弗朗霍夫（Fraunhofer）研究所的研究人员就成功地使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具。通过3DP打印硬质合金粉末，研究所能够轻松创建复杂的设计。在这个过程中，陶瓷硬质材料的粉末颗粒，包括碳化钨颗粒通过含钴、镍或铁的粘结材料层层打印粘结起来。这种粘合材料不仅是粉末层之间的粘合剂，还使得产品具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。后续的处理包括烧结处理，得到与传统加工方式一致的硬质合金模具紧实度。

       不仅仅Fraunhofer研究所运用的3DP技术，另外一种3D打印技术LPBF也被频繁的用于刀具的制造方面。高迈特公司还使用了LPBF金属3D打印技术和机械加工技术用于制造铣刀。铣刀中拥有密集出屑槽的刀体部分是通过金属3D打印技术制造的定制化非标产品，刀柄部分则是通过机械加工技术批量化生产的标准产品。

刀具制造公司积极探索3D打印技术应用与刀具制造
© 3D科学谷《3D打印与金属切削刀具白皮书》

另外一家，玛帕公司还通过3D打印技术创造出QTD系列刀具复杂的螺旋冷却通道，从而提高了冷却液到钻头顶部的流动过程中的热传导能力。玛帕的钻头与之前的钻头相比使用寿命更长、运转速度更快。

无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是LPBF技术用于金属刀头和刀柄的制造，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。

(责任编辑：admin)

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