美国3D打印近2吨航空钢模助力复合材料制造

美国能源部橡树岭国家实验室在约八周内，利用电弧金属丝增材制造（WAAM）技术成功打印了一座高1.83米、宽1.22米、重近2吨的钢制模具。该模具旨在为波音公司提供快速生产飞机复合材料部件（如舱门）的工艺验证，并纳入美国国家航空航天局（NASA）的高速复合材料制造（HiCAM）计划。

传统大型金属模具需经铸造、锻造、机械加工等多道工序。此次研发团队采用带焊接熔头的机械臂，连续熔化金属丝并逐层堆叠成型。模具结构根据功能需求复合使用材料：主体采用常规钢材以保证刚性与强度，工作表面则覆盖不锈钢以耐腐蚀并保持尺寸稳定性。

增材制造技术使工程师能够突破传统模具的冷却通道设计限制。传统模具通常在金属块中钻出长直流体通道，而3D打印可预先构建贴合模具表面的弯曲流道，使加热或冷却介质更精准地贴近温控区域。

近2吨金属块的逐层叠加也面临热应力挑战。金属冷却收缩易导致整体扭曲变形。工程团队通过在背面添加临时支撑筋，并结合计算机模拟预测形变，历经32次模型调整后，Zui终成品仅偏离目标形状数毫米。

模具在橡树岭实验室完成后运至密歇根州贝克工业公司进行后续处理。团队对其进行了热处理以降低内部应力，拆除临时支撑并完成符合波音要求的精加工。复合材料因轻量化且满足强度要求已广泛应用于现代航空，但大型结构件的生产周期与成本仍是行业瓶颈。NASA及其合作伙伴计划在2028年和2029年开展大型复合材料机身与机翼的大规模生产演示，本次实验旨在验证此类集成温控系统的大型工业模具能否直接由金属打印并整合至航空生产线中。