雷尼紹3D打印隨形冷卻金屬模芯：提升注塑成型效率

德國Alfred Kärcher公司（凱馳）通過在其注塑成型模具中使用具有隨形冷卻功能的模芯，將每個塑料外殼制品的冷卻時間縮短了55%，極大地提高了公司的注塑成型生產(chǎn)效率。這種特殊模芯由雷尼紹設(shè)計并通過金屬3D打印技術(shù)制造。

背景
德國Alfred Kärcher公司（凱馳）生產(chǎn)的高壓清洗機不僅已成為眾多德國家庭必備的清潔設(shè)備，而且在國際市場上也備受用戶青睞 — 這些清洗機的顯著特征是其鮮艷醒目的黃色外殼。由于Kärcher高壓清洗機的強大功能和良好口碑，無論是室內(nèi)還是室外，越來越多的人在家庭的日常清潔中使用了Kärcher的產(chǎn)品。

▲K__rcher高壓清洗機

為滿足全球市場日益增長的需求，Kärcher每年都要生產(chǎn)數(shù)以百萬臺緊湊型清洗機。每年單是Obersontheim一家工廠的K2標準型高壓清洗機的出貨量就超過兩百萬臺。然而，即使已實現(xiàn)如此高的產(chǎn)量，Kärcher仍無法滿足全部市場需求。

挑戰(zhàn)
Kärcher清洗機最具辨識度的特征之一便是它的鮮黃色外殼，但外殼制造同時也是生產(chǎn)過程中的主要瓶頸之一。例如，K2系列清洗機的外殼由六臺注塑成型機生產(chǎn)，每臺機器每天可制造1,496個外殼，但這一數(shù)量對于Kärcher來說遠遠不夠，因為Kärcher擁有四條裝配生產(chǎn)線，工人分三班倒不間斷生產(chǎn)，所以每日的K2高壓清洗機組裝量可達12,000臺。

▲K2黃色后殼模具的原始設(shè)計

▲K2黃色后殼模具的全新設(shè)計，具有隨形冷卻功能

顯然，一種選擇是添置更多的注塑成型機。然而，在協(xié)調(diào)員Leopold Hoffer看來 — 他是Kärcher的Obersontheim工廠內(nèi)注塑成型工序的負責人 — 則可以通過挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛力來提高生產(chǎn)效率。“我們的目標是將成型周期從原來的52秒縮短為40到42秒之間，”他解釋說。為此他聯(lián)系了總部位于Pliezhausen的LBC Engineering公司（該公司已于2013年5月被雷尼紹收購），尋求縮短模具冷卻時間的方法。

解決方案
“項目的第一階段是獲取現(xiàn)有模具的數(shù)據(jù)，以此確定Kärcher提出的目標是否可行，”Kärcher的雷尼紹項目協(xié)調(diào)人Carlo Hüsken回憶說。雷尼紹利用Kärcher提供的數(shù)據(jù)繪制出現(xiàn)有注塑成型工序的熱成像圖，然后采用Cadmould® 3D-F模擬軟件進行分析。結(jié)果表明，塑材的熔化溫度為220°C，脫模溫度為100°C，而在52秒的整個成型周期內(nèi)，冷卻時間就占到了22秒。模具溫度用冷卻水進行控制，水流速度為10升/分鐘、溫度為35°C。

接下來，雷尼紹對熱成像過程中檢測到的熱點進行重點建模，因為這些區(qū)域直接導(dǎo)致成型周期的延長，需要對其進行進一步分析。利用這些數(shù)據(jù)，雷尼紹完成了一次含有20個成型周期的數(shù)據(jù)模擬，其中包括對模具壁溫度的分析。

根據(jù)Hüsken先生的建議，在進行第二次模擬時，雷尼紹改進了噴嘴側(cè)的溫度控制方式，即通過在噴嘴側(cè)的模具板內(nèi)加入兩條傳統(tǒng)的冷卻水道，加大對模具板上的鈹銅圓形螺紋接頭的冷卻效果。

▲舊設(shè)計：傳統(tǒng)的鈹銅模芯，具有采用鉆孔方式加工的冷卻液通道。盡管材料的導(dǎo)熱率較高，但仍存在顯著的“熱點”區(qū)域。

▲新設(shè)計：金屬3D打印高強度鎳合金鋼模芯，具有隨形冷卻功能，冷卻通道更接近熱源，可更好的解決“熱點”問題。

隨后，雷尼紹又進行了兩次模擬，以此評估當應(yīng)用隨形冷卻時可能獲得的潛在改進。傳統(tǒng)的模具冷卻方式是在模具中鉆孔，以形成網(wǎng)狀冷卻液通道。由鉆孔方式形成的通道其幾何形狀會受到限制，對于比較簡單的模具，這種冷卻方式可以達到預(yù)期效果，但對于更為復(fù)雜的模具，冷卻效果就會大打折扣。采用隨形冷卻方式的模芯，則使用了金屬增材制造方法，即這類模芯是利用增材方式逐層加工出來的。增材制造方式十分靈活，這意味著模具中冷卻液通道的復(fù)雜性幾乎不受限制。一般情況下，模具內(nèi)的隨形冷卻通道可保持與模具壁的距離均等，因此冷卻效果更加均勻；或者在模具內(nèi)熱點集中的區(qū)域，可加大隨形冷卻通道的密集度，以此為這些區(qū)域提供更快速的冷卻。

模擬過程顯示，采用隨形冷卻后，實際上幾乎所有熱點區(qū)域的冷卻效率均可得到有效提升，模具壁的溫度降低多達70°C。

最后，在模具中一個沒有足夠空間來設(shè)置隨形冷卻通道的區(qū)域，Kärcher巧妙地改進了產(chǎn)品設(shè)計，以此緩解成型冷卻問題。

根據(jù)模擬結(jié)果，雷尼紹為Kärcher提出了一個全面的改進方案，指出隨形冷卻可用于改進模具中熱點區(qū)域的溫度控制，從而使各個部分的冷卻速率更加均勻，并減少整體冷卻時間。修改后的模具設(shè)計加入了兩個增材制造的模芯，可向確定的熱點區(qū)域提供隨形冷卻功能。

結(jié)果
雷尼紹使用熱成像技術(shù)檢查了修改后的模具設(shè)計的效果，確認模具壁的溫度可降低40°C至70°C，冷卻時間可從22秒縮短至10秒，減少了55%。Kärcher注塑技術(shù)團隊的負責人Volker Neu也通過實際生產(chǎn)證明，新的模具設(shè)計加上對一些外圍工藝的重新調(diào)整（充料系統(tǒng)、處理系統(tǒng)等），可將成型周期從52秒縮短至37秒�，F(xiàn)在，每臺注塑成型機的外殼日產(chǎn)量可從1,496個增加至2,101個。

隨后，Kärcher對其他模具的設(shè)計也進行了改進。雷尼紹使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了這些具有隨形冷卻功能的模芯，Hüsken先生在制造過程中為雷尼紹提供了積極的支持。

Hoffer先生最初曾對該項目持懷疑態(tài)度，現(xiàn)在他說道：“結(jié)果比預(yù)想的要好，雷尼紹銷售給我們一套完整的改進方案，他們對我們使用的模具進行了全面考察與分析，幫助我們實現(xiàn)最佳生產(chǎn)效率。”

雷尼紹始終在綜合運用各種技術(shù)手段的基礎(chǔ)上為客戶提供專屬解決方案。“就我們的案例而言，它既涉及傳統(tǒng)冷卻技術(shù)，又涉及隨形冷卻技術(shù)，既包含傳統(tǒng)方式加工的冷卻液通道，又包含采用增材制造方式加工的模芯，同時還涉及模芯的真空釬焊技術(shù)，”他補充道，“利用所有這些技術(shù)，我們才能制定出最合適的生產(chǎn)方案�！�

通過這個項目，Hoffer先生收獲了重要的知識和經(jīng)驗。“將來，我們在設(shè)計階段就會更加重視成型冷卻效率，”他說，“在Kärcher，冷卻效率計算將成為模具設(shè)計中的關(guān)鍵一環(huán)。利用這些信息，我們可以決定是使用傳統(tǒng)冷卻方案還是隨形冷卻方案�！�

“雷尼紹為我們提供了完美的支持。在這次的項目中，雷尼紹是我們正確的選擇；將來，當我們需要設(shè)計閉合輪廓溫度控制方案時，相信它也會成為我們最合適的合作伙伴，”Hoffer先生總結(jié)道。

來源：3D科學(xué)谷