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，為客戶制造隨形冷卻注塑鑲件，全新的模具鑲件在冷卻過程中將溫度變化降低到了18?C，且將模具收縮循環(huán)時間從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)過程中的溫度變化較大，會導(dǎo)致零部件翹曲的風(fēng)險大大增加。對傳統(tǒng)方式設(shè)計和制造的注塑汽車管道進行測試時會在整個測試過程中產(chǎn)生132?C的溫度波動，B&J Specialty公司因此向其客戶推薦使用隨形冷卻注塑鑲件，以便實現(xiàn)更為均衡的冷卻。為實現(xiàn)該目標(biāo)，B&J Specialty的工程師使用了3D Systems的Cimatron?軟件來進行模具設(shè)計，內(nèi)部冷卻水路根據(jù)零部件的表面隨形設(shè)計。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進行打印。全新的隨形冷卻模具鑲件在冷卻過程中將溫度變化降低到了18?C，且將模具收縮循環(huán)時間從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。在大多數(shù)情形下，這就意味著冷卻水路無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必須繞過零部件的最外層，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)常會在冷卻過程的一開始就導(dǎo)致零部件上出現(xiàn)明顯的溫度變化。
B&J Specialty對汽車管道進行了重新設(shè)計，以便增加冷卻效率，其特點是具有多個不規(guī)則曲面。在原始模具設(shè)計過程中，是通過一個中心和定子塊鉆出冷卻直線，以便調(diào)整模具的幾何特征，允許一定程度的翹曲。而對于不規(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關(guān)，因為存在著直線通道的限制。由此產(chǎn)生的溫度變化會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致零部件在冷卻的時候變得彎曲。過去，零部件制造商們常會延長冷卻循環(huán)周期來解決這個問題，以確保將零部件從模具上卸下之前使零部件完全固化，并對鑲件進行調(diào)整以便允許一定程度的翹曲。這種方法存在的問題是延長冷卻循環(huán)周期會降低生產(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）的說法，汽車管道是改進版隨形冷卻設(shè)計的一個很好的應(yīng)用實例，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向一個客戶（汽車供應(yīng)商）提出了這個解決方案，該客戶答應(yīng)對新方法進行測試。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)計軟件開始了設(shè)計工作。Cimatron可以稱得上是一站式軟件解決方案，幫助我們實現(xiàn)完整的CAD設(shè)計功能，使得我們能夠采用統(tǒng)一軟件環(huán)境直接進入到3D打印建模準(zhǔn)備階段。”
Rauch稱B&J Specialty是在研究隨形冷卻在金屬3D打印機上的應(yīng)用時接觸的Cimatron軟件。“我們看到3D Systems提供了一個完整的端到端解決方案，包括模具設(shè)計軟件、3D打印建模準(zhǔn)備軟件和3D打印機，正是這一點讓我對這個解決方案非常滿意，”Rauch說道。“3D Systems不僅關(guān)注設(shè)備，還關(guān)注工程師的增材設(shè)計過程。”
與Cimatron合作后，B&J Specialty公司工程師放棄了原來的直線冷卻水路，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)進行最終的模具生產(chǎn)使得工程師能夠設(shè)計復(fù)雜的冷卻水路，同時截面和接口表面的質(zhì)量得到了改善。此類功能確保了湍流，進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商節(jié)約了大量的時間和金錢。
通過精確的模擬仿真設(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整個注塑過程進行模擬仿真，并繪制出模具和零部件的溫度變化圖，找出熱點和冷卻點，并模擬不同冷卻時間造成的效果，”Rauch說道。該仿真過程還給指出了一些重點可以改進的區(qū)域，在實際生產(chǎn)之前可對此類重點區(qū)域的冷卻策略進行重新設(shè)計。將原始模具設(shè)計與全新的隨形冷卻水路設(shè)計進行仿真對比，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行模具鑲件的設(shè)計，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)，計算掃描路徑，布局3D打印構(gòu)建平臺，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。
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。對于汽車管道模具，B&J Specialty公司使用了馬氏體時效鋼材料。“ProX DMP 300在制造隨形冷卻水路方面表現(xiàn)很棒，因為其精度非常高，”Rauch說道。“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?檢測計量軟件，將網(wǎng)格覆蓋在設(shè)計好的幾何體上，對金屬3D打印模具鑲件進行驗證。隨后將鑲件寄給汽車供應(yīng)商，供應(yīng)商再將鑲件安裝到鑄模機上。“基準(zhǔn)測試結(jié)果顯示隨形水路使得冷卻過程更為均衡，因此縮短了冷卻循環(huán)時間，將生產(chǎn)效率提高了30%，”Rauch說道。“由于隨形冷卻使得冷卻循環(huán)時間縮短，因而降低了注塑壓力，導(dǎo)致模具壽命大幅度提高，反過來又降低了分模線的磨損，減少了模具的復(fù)雜細(xì)節(jié)。”
