Executive summary（執行摘要）

傳統模壓模具制造高度依賴減材加工——包括 CNC 銑削、車削與 EDM 放電加工。盡管這些工藝精度高，但存在周期長、模具鋼耗量大、材料浪費嚴重等問題。本研究所總結的計算分析評估了金屬激光選區熔化（DMLS）作為模壓模具制造替代工藝的可行性。核心結論包括：

• DMLS 蜂窩結構模具在實際壓力與溫度條件下，實現了最大撓度 ≤ 0.001 英寸的設計目標。
• 與傳統機械加工模具相比，增材模具可節省約74% 的材料。
• DMLS 帶來的結構自由度允許內部拓撲優化、共形冷卻設計與重量減輕，同時維持模具剛性。

1. DMLS 對模壓模具與 SMC 模具的重要意義

金屬激光選區熔化（DMLS） 是一種金屬粉末床熔融增材制造技術，通過激光逐層熔化金屬粉末形成零件。對于模壓模具與 SMC 模具制造商，DMLS 具備以下優勢：

1.1 材料與成本效率

增材制造可通過蜂窩與晶格結構顯著減少昂貴模具鋼用量。74% 的材料節省可直接轉化為成本降低，并減少后續 CNC 鏡面加工的加工余量。

1.2 幾何自由度與熱控制能力

DMLS 可制造傳統加工難以實現的結構：內部輕量化晶格、共形冷卻通道、拓撲優化加強筋等，尤其適用于高產量 模壓模具（compression tooling）。

1.3 縮短開發周期

對于研發、試驗模具、小批量工具，DMLS 可顯著縮短制造周期，并允許快速在 CAD 中修改結構設計，無需重復夾具準備。

2. 計算方法：驗證結構與熱性能

研究將傳統實心機械加工模具與內部蜂窩結構的 DMLS 模具在相同工況下進行對比。通過有限元分析（FEA）評估模具在模壓成型壓力下的撓度與典型 SMC 成型周期的熱梯度。

2.1 結構分析

線性與非線性靜力模擬顯示：DMLS 蜂窩模具最大撓度保持在嚴格的 0.001 英寸以內。晶格結構沿主要受力路徑布置，低應力區域則減輕質量。

2.2 熱分析

瞬態熱模擬模擬了加熱固化與冷卻過程。由于內部空腔減少了模具熱質量，DMLS 模具需要配合共形冷卻來均勻散熱，最終溫度差控制在工藝可接受范圍內。

2.3 混合加工策略

研究建議采用混合工藝：DMLS 打印近凈尺寸 + CNC 精加工關鍵密封面與分型面，以確保表面質量與尺寸精度。

3. 金屬增材模壓模具設計建議

基于計算結果與 AM 最佳實踐，建議包括：

• 拓撲優化晶格設計：沿主要受力路徑布置蜂窩結構，避免削弱模具剛度的均勻孔隙。
• 共形冷卻集成：冷卻通道靠近型腔表面布置，優化散熱與縮短成型周期。
• 后處理規劃：預留 CNC 精加工余量，并規劃熱處理流程釋放殘余應力。
• 材料選擇：使用適用于 DMLS 的模具鋼、馬氏體時效鋼等，通過熱處理獲得高硬度。
• 質量檢測：使用 NDT 檢查內部孔隙，并利用三坐標檢測關鍵尺寸。

4. 制造可持續性與成本考量

• 粉末回收策略 以降低材料成本。
• DMLS 設備能耗 與傳統機床的能源對比。
• 模具壽命：結合表面強化技術來抵抗 SMC 材料的磨蝕。
• 生命周期分析：減少模具鋼用量與降低切削廢料有助于環保表現。

實用結論：對中高復雜度模具與研發模具而言，DMLS + CNC 混合工藝往往在成本與性能上更優；簡單且超大型模具仍適合傳統加工。

5. 對 MDC Mould 與復合材料模具行業的意義

對于復合材料模具專家 MDC Mould，DMLS 是對現有 CNC 與 EDM 能力的戰略補充。潛在應用包括：

• 用于 SMC 與 BMC 測試的快速原型模壓模具。
• 通過共形冷卻優化固化周期，提高制品一致性。
• 適用于大型復合材料部件的輕量化模具，降低搬運成本。
• DMLS 核心結構 + 傳統加工外殼的混合模具方案，實現成本與性能平衡。

DMLS 的引入將幫助 MDC 提升在汽車 SMC 車身部件、EV 電池外殼、結構件模具與專業熱成型模具領域的競爭力。

6. 工業化采用的建議步驟

1. 開展 DMLS 核心 + CNC 精加工的試點模壓模具項目。
2. 進行完整成型試驗，驗證耐磨性、脫模表現與制品質量。
3. 建立內部 AM 設計指南，涵蓋晶格參數、冷卻通道設計與后處理流程。
4. 與材料供應商合作，研發適用于 SMC 工況的模具鋼粉末體系。

結論

本研究表明，DMLS 是現代模壓模具制造的可行技術路線。結合共形冷卻與混合加工策略，DMLS 模具能夠滿足 SMC 模壓成型的嚴格結構與熱要求，同時顯著減少材料用量并提升設計自由度。對于 SMC 模具 和 復合材料模具（composite tooling） 供應商而言，增材制造將開啟模具性能、可持續性與迭代速度的新階段。

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核心關鍵詞： DMLS、模壓模具、SMC 模具、復合材料模具、金屬增材制造、蜂窩模具、共形冷卻。