3D打印的金屬隨形冷卻模具，在模具行業(ye) 已經得到了驗證，B&J Specialty公司使用3D Systems公司的金屬3D打印機，為(wei) 客戶製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，且將模具收縮循環時間從(cong) 1分鍾降到了40秒，整體(ti) 生產(chan) 效率提高了30%。

3D Systems的金屬增材製造工藝和Cimatron模具設計軟件使得模具鑲件的冷卻循環大大減少。

若注塑冷卻循環過程中的溫度變化較大，會(hui) 導致零部件翹曲的風險大大增加。對傳(chuan) 統方式設計和製造的注塑汽車管道進行測試時會(hui) 在整個(ge) 測試過程中產(chan) 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，以便實現更為(wei) 均衡的冷卻。為(wei) 實現該目標，B&J Specialty的工程師使用了3D Systems的Cimatron®軟件來進行模具設計，內(nei) 部冷卻水路根據零部件的表麵隨形設計。為(wei) 了生產(chan) 出複雜精準的內(nei) 部冷卻水路，他們(men) 采用了3D Systems 金屬增材製造設備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，且將模具收縮循環時間從(cong) 1分鍾降到了40秒，整體(ti) 生產(chan) 效率提高了30%。

次優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解決(jue) 了存在已久的問題。許多注塑件都是曲麵, 但用於(yu) 創造冷卻水路的鑽孔卻隻能鑽出直線。在大多數情形下，這就意味著冷卻水路無法與(yu) 零部件的幾何特征相匹配。傳(chuan) 統方式製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(chan) 生幹擾，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。因此，經常會(hui) 在冷卻過程的一開始就導致零部件上出現明顯的溫度變化。

B&J Specialty對汽車管道進行了重新設計，以便增加冷卻效率，其特點是具有多個(ge) 不規則曲麵。在原始模具設計過程中，是通過一個(ge) 中心和定子塊鑽出冷卻直線，以便調整模具的幾何特征，允許一定程度的翹曲。而對於(yu) 不規則形狀的管道而言，管道的幾大重要特征都與(yu) 冷卻水路無關(guan) ，因為(wei) 存在著直線通道的限製。由此產(chan) 生的溫度變化會(hui) 產(chan) 生殘餘(yu) 應力，導致零部件在冷卻的時候變得彎曲。過去，零部件製造商們(men) 常會(hui) 延長冷卻循環周期來解決(jue) 這個(ge) 問題，以確保將零部件從(cong) 模具上卸下之前使零部件完全固化，並對鑲件進行調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周期會(hui) 降低生產(chan) 效率，增加零部件製造成本。

借助隨形冷卻水路改進模具

根據Jarod Rauch（B&J Specialty公司的信息技術和3D打印經理）的說法，汽車管道是改進版隨形冷卻設計的一個(ge) 很好的應用實例，可以提高零部件的質量，減少報廢率，縮短冷卻循環周期。B&J Specialty向一個(ge) 客戶（汽車供應商）提出了這個(ge) 解決(jue) 方案，該客戶答應對新方法進行測試。得到了原始幾何數據的CAD文件後，B&J Specialty公司工程師使用3D Systems的Cimatron模具設計軟件開始了設計工作。Cimatron可以稱得上是一站式軟件解決(jue) 方案，幫助我們(men) 實現完整的CAD設計功能，使得我們(men) 能夠采用統一軟件環境直接進入到3D打印建模準備階段。”

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，包括模具設計軟件、3D打印建模準備軟件和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不僅關注設備，還關注工程師的增材設計過程。”

與(yu) Cimatron合作後，B&J Specialty公司工程師放棄了原來的直線冷卻水路，並用隨形冷卻水路取代，水路與(yu) 零部件表麵的距離保持恒定。采用金屬3D打印技術進行最終的模具生產(chan) 使得工程師能夠設計複雜的冷卻水路，同時截麵和接口表麵的質量得到了改善。此類功能確保了湍流，進一步增加了從(cong) 模具傳(chuan) 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後，就降低了零部件的缺陷率（比如翹曲和縮痕），確保了零部件的質量。這種方法降低了校正、試錯率和抽樣率，生產(chan) 的零部件質量更高，為(wei) 模具製造商和運營商節約了大量的時間和金錢。

通過精確的模擬仿真設定期望值

B&J Specialty公司工程師隨後將模具文件從(cong) Cimatron軟件導入Moldex3D（注塑仿真軟件），以便進行整體(ti) 的冷卻仿真。“Cimatron與(yu) Moldex3D完全兼容，使得我們(men) 能夠很容易地就對整個(ge) 注塑過程進行模擬仿真，並繪製出模具和零部件的溫度變化圖，找出熱點和冷卻點，並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域，在實際生產(chan) 之前可對此類重點區域的冷卻策略進行重新設計。將原始模具設計與(yu) 全新的隨形冷卻水路設計進行仿真對比，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公司工程師隨後使用了3D Systems 3DXpert™金屬增材製造軟件進行模具鑲件的設計，為(wei) 生產(chan) 做準備。他們(men) 導入零部件的數據，優(you) 化幾何特征數據，計算掃描路徑，布局3D打印構建平台，並將數據直接從(cong) 3DXpert軟件發送到的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。對於(yu) 汽車管道模具，B&J Specialty公司使用了馬氏體(ti) 時效鋼材料。“ProX DMP 300在製造隨形冷卻水路方麵表現很棒，因為(wei) 其精度非常高，”Rauch說道。“我們(men) 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(zhuan) 利技術使得我們(men) 能夠使用更小的材料顆粒製造出最為(wei) 精細的細節和最薄的壁厚。最終可實現零部件表麵粗糙度5μm（200Ra微英寸），並且不需要太多的後處理。

生產效率大大提高
打印完成後，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，將網格覆蓋在設計好的幾何體上，對金屬3D打印模具鑲件進行驗證。隨後將鑲件寄給汽車供應商，供應商再將鑲件安裝到鑄模機上。“基準測試結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時間，將生產效率提高了30%，”Rauch說道。“由於隨形冷卻使得冷卻循環時間縮短，因而降低了注塑壓力，導致模具壽命大幅度提高，反過來又降低了分模線的磨損，減少了模具的複雜細節。”