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(yàn)證，B&J Specialty公司使用3D Systems公司的金屬3D打印機(jī)，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(shè)計(jì)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(dǎo)致零部件翹曲的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。對(duì)傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)和制造的注塑汽車(chē)管道進(jìn)行測(cè)試時(shí)會(huì)在整個(gè)測(cè)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(xiàn)更為均衡的冷卻。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，B&J Specialty的工程師使用了3D Systems的Cimatron?軟件來(lái)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，內(nèi)部冷卻水路根據(jù)零部件的表面隨形設(shè)計(jì)。為了生產(chǎn)出復(fù)雜精準(zhǔn)的內(nèi)部冷卻水路，他們采用了3D Systems 金屬增材制造設(shè)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(dǎo)致較大的溫度變化
隨形冷卻模具利用現(xiàn)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(shù)情形下，這就意味著冷卻水路無(wú)法與零部件的幾何特征相匹配。傳統(tǒng)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(duì)模具型腔產(chǎn)生干擾，這就意味著靠近零部件中心越近的部分通常離最近的冷卻水路較遠(yuǎn)。因此，經(jīng)常會(huì)在冷卻過(guò)程的一開(kāi)始就導(dǎo)致零部件上出現(xiàn)明顯的溫度變化。
B&J Specialty對(duì)汽車(chē)管道進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以便增加冷卻效率，其特點(diǎn)是具有多個(gè)不規(guī)則曲面。在原始模具設(shè)計(jì)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(diào)整模具的幾何特征，允許一定程度的翹曲。而對(duì)于不規(guī)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?yàn)榇嬖谥本€(xiàn)通道的限制。由此產(chǎn)生的溫度變化會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)鑲件進(jìn)行調(diào)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(zhǎng)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(jù)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(shè)計(jì)的一個(gè)很好的應(yīng)用實(shí)例，可以提高零部件的質(zhì)量，減少報(bào)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(yīng)商）提出了這個(gè)解決方案，該客戶(hù)答應(yīng)對(duì)新方法進(jìn)行測(cè)試。得到了原始幾何數(shù)據(jù)的CAD文件后，B&J Specialty公司工程師使用3D Systems的Cimatron模具設(shè)計(jì)軟件開(kāi)始了設(shè)計(jì)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(xiàn)完整的CAD設(shè)計(jì)功能，使得我們能夠采用統(tǒng)一軟件環(huán)境直接進(jìn)入到3D打印建模準(zhǔn)備階段。”
Rauch稱(chēng)B&J Specialty是在研究隨形冷卻在金屬3D打印機(jī)上的應(yīng)用時(shí)接觸的Cimatron軟件。“我們看到3D Systems提供了一個(gè)完整的端到端解決方案，包括模具設(shè)計(jì)軟件、3D打印建模準(zhǔn)備軟件和3D打印機(jī)，正是這一點(diǎn)讓我對(duì)這個(gè)解決方案非常滿(mǎn)意，”Rauch說(shuō)道。“3D Systems不僅關(guān)注設(shè)備，還關(guān)注工程師的增材設(shè)計(jì)過(guò)程。”
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(shè)計(jì)復(fù)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(cuò)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(yùn)營(yíng)商節(jié)約了大量的時(shí)間和金錢(qián)。
通過(guò)精確的模擬仿真設(shè)定期望值
B&J Specialty公司工程師隨后將模具文件從Cimatron軟件導(dǎo)入Moldex3D（注塑仿真軟件），以便進(jìn)行整體的冷卻仿真。“Cimatron與Moldex3D完全兼容，使得我們能夠很容易地就對(duì)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(qū)域，在實(shí)際生產(chǎn)之前可對(duì)此類(lèi)重點(diǎn)區(qū)域的冷卻策略進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。將原始模具設(shè)計(jì)與全新的隨形冷卻水路設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)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(shè)計(jì)，為生產(chǎn)做準(zhǔn)備。他們導(dǎo)入零部件的數(shù)據(jù)，優(yōu)化幾何特征數(shù)據(jù)，計(jì)算掃描路徑，布局3D打印構(gòu)建平臺(tái)，并將數(shù)據(jù)直接從3DXpert軟件發(fā)送到的3D Systems ProX DMP 300 金屬3D打印機(jī)。
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(gòu)建金屬粉末顆粒，層層疊加。對(duì)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。“ProX DMP 300在制造隨形冷卻水路方面表現(xiàn)很棒，因?yàn)槠渚确浅８撸盧auch說(shuō)道。“我們可允許三千分之一到四千分之一的公差。”3D Systems的直接金屬打印（DMP）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(xì)的細(xì)節(jié)和最薄的壁厚。最終可實(shí)現(xiàn)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(lán)光3D掃描儀將鑲件掃描到3D Systems Geomagic? Control X?檢測(cè)計(jì)量軟件，將網(wǎng)格覆蓋在設(shè)計(jì)好的幾何體上，對(duì)金屬3D打印模具鑲件進(jìn)行驗(yàn)證。隨后將鑲件寄給汽車(chē)供應(yīng)商，供應(yīng)商再將鑲件安裝到鑄模機(jī)上。“基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)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。“由于隨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(dǎo)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(fù)雜細(xì)節(jié)。”
