3D打印的金屬隨形冷卻模具，在模具行業(yè)已經(jīng)得到了驗證，B&J Specialty公司使用3D Systems公司的金屬3D打印機，為客戶(hù)制造隨形冷卻注塑鑲件，全新的模具鑲件在冷卻過(guò)程中將溫度變化降低到了18?C，且將模具收縮循環(huán)時(shí)間從1分鐘降到了40秒，整體生產(chǎn)效率提高了30%。
3D Systems的金屬增材制造工藝和Cimatron模具設計軟件使得模具鑲件的冷卻循環(huán)大大減少。
若注塑冷卻循環(huán)過(guò)程中的溫度變化較大，會(huì )導致零部件翹曲的風(fēng)險大大增加。對傳統方式設計和制造的注塑汽車(chē)管道進(jìn)行測試時(shí)會(huì )在整個(gè)測試過(guò)程中產(chǎn)生132?C的溫度波動(dòng)，B&J Specialty公司因此向其客戶(hù)推薦使用隨形冷卻注塑鑲件，以便實(shí)現更為均衡的冷卻。為實(shí)現該目標，B&J Specialty的工程師使用了3D Systems的Cimatron?軟件來(lái)進(jìn)行模具設計，內部冷卻水路根據零部件的表面隨形設計。為了生產(chǎn)出復雜精準的內部冷卻水路，他們采用了3D Systems 金屬增材制造設備ProX? DMP 300進(jìn)行打印。全新的隨形冷卻模具鑲件在冷卻過(guò)程中將溫度變化降低到了18?C，且將模具收縮循環(huán)時(shí)間從1分鐘降到了40秒，整體生產(chǎn)效率提高了30%。
次優(yōu)冷卻水路導致較大的溫度變化
隨形冷卻模具利用現代技術(shù)解決了存在已久的問(wèn)題。許多注塑件都是曲面, 但用于創(chuàng )造冷卻水路的鉆孔卻只能鉆出直線(xiàn)。在大多數情形下，這就意味著(zhù)冷卻水路無(wú)法與零部件的幾何特征相匹配。傳統方式制造的冷卻直線(xiàn)必須繞過(guò)零部件的最外層，以避免對模具型腔產(chǎn)生干擾，這就意味著(zhù)靠近零部件中心越近的部分通常離最近的冷卻水路較遠。因此，經(jīng)常會(huì )在冷卻過(guò)程的一開(kāi)始就導致零部件上出現明顯的溫度變化。
B&J Specialty對汽車(chē)管道進(jìn)行了重新設計，以便增加冷卻效率，其特點(diǎn)是具有多個(gè)不規則曲面。在原始模具設計過(guò)程中，是通過(guò)一個(gè)中心和定子塊鉆出冷卻直線(xiàn)，以便調整模具的幾何特征，允許一定程度的翹曲。而對于不規則形狀的管道而言，管道的幾大重要特征都與冷卻水路無(wú)關(guān)，因為存在著(zhù)直線(xiàn)通道的限制。由此產(chǎn)生的溫度變化會(huì )產(chǎn)生殘余應力，導致零部件在冷卻的時(shí)候變得彎曲。過(guò)去，零部件制造商們常會(huì )延長(cháng)冷卻循環(huán)周期來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，以確保將零部件從模具上卸下之前使零部件完全固化，并對鑲件進(jìn)行調整以便允許一定程度的翹曲。這種方法存在的問(wèn)題是延長(cháng)冷卻循環(huán)周期會(huì )降低生產(chǎn)效率，增加零部件制造成本。
借助隨形冷卻水路改進(jìn)模具
根據Jarod Rauch（B&J Specialty公司的信息技術(shù)和3D打印經(jīng)理）的說(shuō)法，汽車(chē)管道是改進(jìn)版隨形冷卻設計的一個(gè)很好的應用實(shí)例，可以提高零部件的質(zhì)量，減少報廢率，縮短冷卻循環(huán)周期。B&J Specialty向一個(gè)客戶(hù)（汽車(chē)供應商）提出了這個(gè)解決方案，該客戶(hù)答應對新方法進(jìn)行測試。得到了原始幾何數據的CAD文件后，B&J Specialty公司工程師使用3D Systems的Cimatron模具設計軟件開(kāi)始了設計工作。Cimatron可以稱(chēng)得上是一站式軟件解決方案，幫助我們實(shí)現完整的CAD設計功能，使得我們能夠采用統一軟件環(huán)境直接進(jìn)入到3D打印建模準備階段?！?/font>
Rauch稱(chēng)B&J Specialty是在研究隨形冷卻在金屬3D打印機上的應用時(shí)接觸的Cimatron軟件?！拔覀兛吹?D Systems提供了一個(gè)完整的端到端解決方案，包括模具設計軟件、3D打印建模準備軟件和3D打印機，正是這一點(diǎn)讓我對這個(gè)解決方案非常滿(mǎn)意，”Rauch說(shuō)道?！?D Systems不僅關(guān)注設備，還關(guān)注工程師的增材設計過(guò)程?！?/font>
與Cimatron合作后，B&J Specialty公司工程師放棄了原來(lái)的直線(xiàn)冷卻水路，并用隨形冷卻水路取代，水路與零部件表面的距離保持恒定。采用金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行最終的模具生產(chǎn)使得工程師能夠設計復雜的冷卻水路，同時(shí)截面和接口表面的質(zhì)量得到了改善。此類(lèi)功能確保了湍流，進(jìn)一步增加了從模具傳遞到冷卻劑上的熱量，使得冷卻效率更高。能夠更高效地進(jìn)行模具冷卻后，就降低了零部件的缺陷率（比如翹曲和縮痕），確保了零部件的質(zhì)量。這種方法降低了校正、試錯率和抽樣率，生產(chǎn)的零部件質(zhì)量更高，為模具制造商和運營(yíng)商節約了大量的時(shí)間和金錢(qián)。
通過(guò)精確的模擬仿真設定期望值
B&J Specialty公司工程師隨后將模具文件從Cimatron軟件導入Moldex3D（注塑仿真軟件），以便進(jìn)行整體的冷卻仿真?！癈imatron與Moldex3D完全兼容，使得我們能夠很容易地就對整個(gè)注塑過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，并繪制出模具和零部件的溫度變化圖，找出熱點(diǎn)和冷卻點(diǎn)，并模擬不同冷卻時(shí)間造成的效果，”Rauch說(shuō)道。該仿真過(guò)程還給指出了一些重點(diǎn)可以改進(jìn)的區域，在實(shí)際生產(chǎn)之前可對此類(lèi)重點(diǎn)區域的冷卻策略進(jìn)行重新設計。將原始模具設計與全新的隨形冷卻水路設計進(jìn)行仿真對比，結果顯示新零部件的溫度分布得到了極大的改善，溫度變化降低了86%。
具有隨形冷卻水路的3D打印模具鑲件
B&J Specialty公司工程師隨后使用了3D Systems 3DXpert?金屬增材制造軟件進(jìn)行模具鑲件的設計，為生產(chǎn)做準備。他們導入零部件的數據，優(yōu)化幾何特征數據，計算掃描路徑，布局3D打印構建平臺，并將數據直接從3DXpert軟件發(fā)送到的3D Systems ProX DMP 300 金屬3D打印機。
ProX DMP 300采用高精度的激光頭，使用3D Systems LaserForm?材料在水平薄層有選擇性地構建金屬粉末顆粒，層層疊加。對于汽車(chē)管道模具，B&J Specialty公司使用了馬氏體時(shí)效鋼材料?！癙roX DMP 300在制造隨形冷卻水路方面表現很棒，因為其精度非常高，”Rauch說(shuō)道?！拔覀兛稍试S三千分之一到四千分之一的公差?！?D Systems的直接金屬打?。―MP）專(zhuān)利技術(shù)使得我們能夠使用更小的材料顆粒制造出最為精細的細節和最薄的壁厚。最終可實(shí)現零部件表面粗糙度5μm（200Ra微英寸），并且不需要太多的后處理。
生產(chǎn)效率大大提高
打印完成后，B&J Specialty公司使用藍光3D掃描儀將鑲件掃描到3D Systems Geomagic? Control X?檢測計量軟件，將網(wǎng)格覆蓋在設計好的幾何體上，對金屬3D打印模具鑲件進(jìn)行驗證。隨后將鑲件寄給汽車(chē)供應商，供應商再將鑲件安裝到鑄模機上?！盎鶞蕼y試結果顯示隨形水路使得冷卻過(guò)程更為均衡，因此縮短了冷卻循環(huán)時(shí)間，將生產(chǎn)效率提高了30%，”Rauch說(shuō)道?！坝捎陔S形冷卻使得冷卻循環(huán)時(shí)間縮短，因而降低了注塑壓力，導致模具壽命大幅度提高，反過(guò)來(lái)又降低了分模線(xiàn)的磨損，減少了模具的復雜細節?！?/font>
