美国橡树岭国家实验室3D打印近2吨波音飞机复合材料模具
9月21日，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）公布与波音合作完成的大型金属增材制造项目，双方利用电弧增材制造技术3D打印出一套近2吨重的Stamp Form Die（SFD）热塑性复合材料成型模具。该模具高约6英尺、宽约4英尺，连续打印历时8周，后续将由波音用于NASA高产率复合材料飞机制造项目HiCAM，以验证大型热塑性复合材料飞机部件快速成型工艺。
SFD属于压力成型工装，热塑性复合材料板材在加热后置于上下两套金属模具之间，通过压力完成零部件成型。传统SFD通常需要经过机加工、铸造、锻造和钻孔等多道制造工序，ORNL与波音此次重点验证能否利用线弧增材制造（WAAM）缩短大型工装制造周期，并把温控通道直接集成到模具内部。
项目使用ORNL制造示范设施的Arc-1系统进行打印，该系统由工业机器人和焊枪组成，通过连续熔化金属丝逐层堆积成形，并可同时送入多种金属材料。此次模具主体承力区域采用低碳钢，以满足结构强度和刚度要求；工作表面则沉积不锈钢，以提高耐腐蚀性、尺寸稳定性和长期使用耐久性。多材料WAAM工艺使同一大型工装能够按照不同区域的性能要求配置材料。
温控结构是此次模具设计的另一重点。传统大型金属模具通常通过钻削形成直线加热和冷却通道，而增材制造允许工程师在打印过程中直接形成沿模具曲面布置的弯曲流道，使加热和冷却介质更加贴近成型表面。该设计能够改善模具温度分布和热循环效率，对热塑性复合材料快速加热、成型和冷却过程具有直接作用。
大型钢制工装在WAAM过程中面临明显的残余应力和变形问题。随着熔融金属逐层沉积并冷却，模具容易产生扭曲和尺寸偏差。ORNL团队为此在模具背部加入临时加强肋，并利用残余应力模拟持续修正结构设计和打印补偿参数。项目累计完成32轮模拟迭代后，最终打印件与目标几何形状之间的偏差控制在数毫米范围内。
打印完成后，模具被运往密歇根州Baker Industries进行退火处理，以释放内部残余应力，随后拆除打印阶段设置的临时支撑肋，并继续完成精加工和其他制造工序，使最终SFD达到波音的使用要求。Baker Industries为Lincoln Electric旗下企业，而此次WAAM技术此前由ORNL与Lincoln Electric通过合作研发协议共同推进。
该模具将进入NASA HiCAM项目的复合材料飞机制造验证体系。HiCAM重点研究如何提高复合材料民用飞机结构的制造速率，其中热塑性复合材料快速成型是重要技术路线之一。此次项目验证的是大型金属成型工装的制造环节，并非直接3D打印飞机结构件；其核心节点在于利用多材料WAAM完成近2吨级复杂航空复合材料模具，并把温控流道、结构补偿和后续精加工整合到完整制造流程中。
