金属3D打印随形冷却注塑模具生产率提高30%

3D Systems的金属增材制造工艺和Cimatron模具设计软件使得模具镶件的冷却循环大大减少

若注塑冷却循环过程中的温度变化较大，会导致零部件翘曲的风险大大增加。对传统方式设计和制造的注塑汽车管道进行测试时会在整个测试过程中产生132˚C的温度波动，B&J Specialty公司因此向其客户推荐使用随形冷却注塑镶件，以便实现更为均衡的冷却。

为实现该目标，B&J Specialty的工程师使用了3D Systems的Cimatron®软件来进行模具设计，内部冷却水路根据零部件的表面随形设计。为了生产出复杂精准的内部冷却水路，他们采用了3D Systems 金属增材制造设备ProX® DMP 300进行打印。

全新的随形冷却模具镶件在冷却过程中将温度变化降低到了18˚C，且将模具收缩循环时间从1分钟降到了40秒，整体生产效率提高了30%。

根据Jarod Rauch的说法，ProX® DMP 300 可将公差控制在英寸三千分之一到四千分之一

次优冷却水路导致较大的温度变化

随形冷却模具利用现代技术解决了存在已久的问题。许多注塑件都是曲面, 但用于创造冷却水路的钻孔却只能钻出直线。在大多数情形下，这就意味着冷却水路无法与零部件的几何特征相匹配。传统方式制造的冷却直线必须绕过零部件的最外层，以避免对模具型腔产生干扰，这就意味着靠近零部件中心越近的部分通常离最近的冷却水路较远。因此，经常会在冷却过程的一开始就导致零部件上出现明显的温度变化。


B&J Specialty对汽车管道进行了重新设计，以便增加冷却效率，其特点是具有多个不规则曲面。在原始模具设计过程中，是通过一个中心和定子块钻出冷却直线，以便调整模具的几何特征，允许一定程度的翘曲。而对于不规则形状的管道而言，管道的几大重要特征都与冷却水路无关，因为存在着直线通道的限制。由此产生的温度变化会产生残余应力，导致零部件在冷却的时候变得弯曲。


过去，零部件制造商们常会延长冷却循环周期来解决这个问题，以确保将零部件从模具上卸下之前使零部件完全固化，并对镶件进行调整以便允许一定程度的翘曲。这种方法存在的问题是延长冷却循环周期会降低生产效率，增加零部件制造成本。

与传统直线冷却水路相比，金属3D打印随形冷却水路将温度变化降低了86%

借助随形冷却水路改进模具

根据Jarod Rauch（B&J Specialty公司的信息技术和3D打印经理）的说法，汽车管道是改进版随形冷却设计的一个很好的应用实例，可以提高零部件的质量，减少报废率，缩短冷却循环周期。

B&J Specialty向一个客户（汽车供应商）提出了这个解决方案，该客户答应对新方法进行测试。得到了原始几何数据的CAD文件后，B&J Specialty公司工程师使用3D Systems的Cimatron模具设计软件开始了设计工作。

Rauch称B&J Specialty是在研究随形冷却在金属3D打印机上的应用时接触的Cimatron软件。“我们看到3D Systems提供了一个完整的端到端解决方案，包括模具设计软件、3D打印建模准备软件和3D打印机，正是这一点让我对这个解决方案非常满意，”Rauch说道。

与Cimatron合作后，B&J Specialty公司工程师放弃了原来的直线冷却水路，并用随形冷却水路取代，水路与零部件表面的距离保持恒定。采用金属3D打印技术进行最终的模具生产使得工程师能够设计复杂的冷却水路，同时截面和接口表面的质量得到了改善。

此类功能确保了湍流，进一步增加了从模具传递到冷却剂上的热量，使得冷却效率更高。能够更高效地进行模具冷却后，就降低了零部件的缺陷率（比如翘曲和缩痕），确保了零部件的质量。这种方法降低了校正、试错率和抽样率，生产的零部件质量更高，为模具制造商和运营商节约了大量的时间和金钱。


通过精确的模拟仿真设定期望值

B&J Specialty公司工程师随后将模具文件从Cimatron软件导入Moldex3D（注塑仿真软件），以便进行整体的冷却仿真。“Cimatron与Moldex3D完全兼容，使得我们能够很容易地就对整个注塑过程进行模拟仿真，并绘制出模具和零部件的温度变化图，找出热点和冷却点，并模拟不同冷却时间造成的效果，”Rauch说道。

该仿真过程还给指出了一些重点可以改进的区域，在实际生产之前可对此类重点区域的冷却策略进行重新设计。将原始模具设计与全新的随形冷却水路设计进行仿真对比，结果显示新零部件的温度分布得到了极大的改善，温度变化降低了86%。

Cimatron与Moldex3D完全兼容，使得我们能够很容易地就对注塑过程进行模拟仿真，以便采用数字化手段对设计进行评估

具有随形冷却水路的3D打印模具镶件

B&J Specialty公司工程师随后使用了3D Systems 3DXpert™金属增材制造软件进行模具镶件的设计，为生产做准备。他们导入零部件的数据，优化几何特征数据，计算扫描路径，布局3D打印构建平台，并将数据直接从3DXpert软件发送到的3D Systems ProX DMP 300 金属3D打印机。

ProX DMP 300采用高精度的激光头，使用3D Systems LaserForm®材料。对于汽车管道模具，B&J Specialty公司使用了马氏体时效钢材料。

B&J Specialty公司使用随形冷却水路，借助直接3D金属打印将生产效率提高30%

“ProX DMP 300在制造随形冷却水路方面表现很棒，因为其精度非常高，”Rauch说道。“我们可允许三千分之一到四千分之一的公差。”3D Systems的直接金属打印（DMP）专利技术使得我们能够使用更小的材料颗粒制造出最为精细的细节和最薄的壁厚。最终可实现零部件表面粗糙度5μm（200Ra微英寸），并且不需要太多的后处理。

生产效率大大提高

打印完成后，B&J Specialty公司使用蓝光3D扫描仪将镶件扫描到3D Systems Geomagic® Control X™检测计量软件，将网格覆盖在设计好的几何体上，对金属3D打印模具镶件进行验证。随后将镶件寄给汽车供应商，供应商再将镶件安装到铸模机上。

Rauch表示：“基准测试结果显示随形水路使得冷却过程更为均衡，因此缩短了冷却循环时间，将生产效率提高了30%。由于随形冷却使得冷却循环时间缩短，因而降低了注塑压力，导致模具寿命大幅度提高，反过来又降低了分模线的磨损，减少了模具的复杂细节。”

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