注塑模具隨形冷卻，未來(lái)需要1500臺(tái)金屬3D打印機(jī)

據(jù)南極熊查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，注塑模具隨形冷卻技術(shù)最先是在1997年由美國(guó) 麻省理工學(xué)院的Sachs教授提出，他認(rèn)為該技術(shù)將是3D打印最主要的四個(gè)應(yīng)用之一。經(jīng)過(guò)3D打印技術(shù)整整二十年不斷發(fā)展，該技術(shù)在模具行業(yè)的規(guī)模應(yīng)用也的到了證實(shí)。據(jù)南極熊了解，在部分模具制造廠(chǎng)商中，目前隨形冷卻模具業(yè)務(wù)已占到總業(yè)務(wù)的40%。
在南極熊發(fā)布的一份報(bào)告中，有一個(gè)結(jié)論“未來(lái)10年內(nèi)，中國(guó)模具行業(yè)需要1500臺(tái)金屬3D打印機(jī)”。

注塑模具的隨形冷卻方式與傳統(tǒng)的冷卻方式有所區(qū)別，其冷卻水道的形狀是隨著注塑制品的外形而變化的，不再是傳統(tǒng)的直線(xiàn)狀。而3D打印技術(shù)可以使冷卻水路的制造避免了交叉鉆孔的限制，3D打印的隨形冷卻水路還可以根據(jù)冷卻要求進(jìn)行不同的冷卻回路設(shè)計(jì)，從而以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。

對(duì)于模具制造商來(lái)說(shuō)，由于模具的質(zhì)量直接決定了注塑生產(chǎn)效率，并決定產(chǎn)品質(zhì)量，從而決定產(chǎn)品的附加值，所以，如何在最小周期時(shí)間內(nèi)高效冷卻塑料產(chǎn)品，成為隨形冷卻注塑模具設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中關(guān)鍵的考量因素，而冷卻在這期間扮演了重要的角色。

隨形冷卻的原理是：在一個(gè)統(tǒng)一連續(xù)的方式下快速地降低塑件的溫度，注塑件不能在冷卻過(guò)程中從模具中取出，直到冷卻充分，然后，從模具中取出注塑件。任何熱點(diǎn)都會(huì)延遲注塑件的注塑周期，可能會(huì)導(dǎo)致脫模后注塑件的翹曲和凹陷，并可能損害塑件表面的質(zhì)量�？焖倮鋮s是通過(guò)冷卻液在模具內(nèi)的通道流過(guò)將注塑件的熱量帶走，這種冷卻效果的速度和均勻性是由流體通道以及冷卻流體通過(guò)它的速度來(lái)決定的。

傳統(tǒng)的模具內(nèi)，冷卻水路是通過(guò)交叉鉆孔產(chǎn)生內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)內(nèi)置流體插頭來(lái)調(diào)整流速和方向。金屬3D打印技術(shù)在模具冷卻水路制造中的應(yīng)用則突破了交叉鉆孔方式對(duì)冷卻水路設(shè)計(jì)的限制。現(xiàn)在，模具設(shè)計(jì)企業(yè)可以設(shè)計(jì)出更靠近模具冷卻表面的隨形水路，它們具有平滑的角落，更快的流量和更高的冷卻效率。

傳統(tǒng)的模具內(nèi)冷卻通道是通過(guò)二次加工來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)交叉鉆孔，產(chǎn)生直線(xiàn)管的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)內(nèi)置流體插頭來(lái)調(diào)整流速和方向，這種方法有其局限性，水路網(wǎng)絡(luò)的形狀是有限的，所以，冷卻通道離模具的表面遠(yuǎn)，使得冷卻效率低。不僅如此，還不得不面對(duì)額外的加工和裝配時(shí)間，以及盲點(diǎn)的渠道網(wǎng)絡(luò)可能被堵塞的風(fēng)險(xiǎn)；而且，在復(fù)雜的情況下，為了預(yù)留冷卻通道的加工，模具還需要被切分成幾個(gè)部分來(lái)制造，然后再拼接成一整塊模具，這導(dǎo)致了額外的制造環(huán)節(jié)，并且還會(huì)縮短模具的壽命。

隨形冷卻方式與傳統(tǒng)冷卻方式的區(qū)別在于，其冷卻水道的形狀隨著注塑制品的外形變化，不再是直線(xiàn)狀的，這種冷卻水道很好地解決了傳統(tǒng)冷卻水道與模具型腔表面距離不一致的問(wèn)題，可以使得注塑制品得到均勻的冷卻，冷卻效率更高。

3D打印制造使人們擺脫了交叉鉆孔的限制。現(xiàn)在，可以設(shè)計(jì)內(nèi)部通道更靠近模具的冷卻表面，并具有平滑的角落、更快的流量，增加熱量轉(zhuǎn)移到冷卻液的效率；還可以根據(jù)冷卻要求設(shè)計(jì)不同的冷卻回路，旨在以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。冷卻液通過(guò)量對(duì)模具的冷卻速度至關(guān)重要，必須設(shè)計(jì)光滑的角落，以減少沿通道的壓力損失。

據(jù)悉，金屬粉末選擇性激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)，在直徑小至1.4毫米的冷卻通道亦可以生產(chǎn)。鋪粉的3D打印制造技術(shù)的一個(gè)好處是，粉末熔化帶來(lái)輕微紋理的表面，這種紋理結(jié)構(gòu)增加了冷卻接觸的表面積，帶來(lái)更好的傳熱效果，從而提高了冷卻效率，并形成通道內(nèi)小湍流，從而實(shí)現(xiàn)通道自清潔的效果。通過(guò)3D打印制造的隨形冷卻注塑模具，可以使注塑成型效率提高達(dá)70%或以上，例如，一個(gè)冰刮刀的模具，通過(guò)增材制造方法來(lái)加工，可以使得注塑周期從80秒降到40秒，這意味著注塑件的生產(chǎn)速度變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍。

通過(guò)增材制造來(lái)制造的隨形冷卻模具的其他主要優(yōu)點(diǎn)，包括：可以成型更均勻的塑件制品，使制品零缺陷，并且避免因冷卻速度不均勻而導(dǎo)致的縮凹痕跡。另外，在開(kāi)發(fā)新注塑產(chǎn)品時(shí)，有助于實(shí)現(xiàn)通過(guò)較少的迭代即可完成新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
當(dāng)然，更多的優(yōu)點(diǎn)還包括：在制造復(fù)雜模具時(shí)，由于減少了冷卻通道加工和拼接的環(huán)節(jié)，增材制造方法比傳統(tǒng)方式更快。

應(yīng)該注意的是，增材制造出來(lái)的模具，表面精度不高，要通過(guò)后期的精加工和拋光處理來(lái)獲得所需的表面精度。在這個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的機(jī)加工與增材制造優(yōu)勢(shì)形成互補(bǔ)。

2007年，史玉升、伍志剛等提出了基于離散/聚集模型的隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)方法，建立了截面為圓形、橢圓形、半橢圓形和U形的冷卻水道的傳熱模型，并使用選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)成功制造了香盒模具。

利用3D打印方法加工的冷卻水道的截面形狀具有多樣性，可以是U形、圓形和橢圓等。隨形冷卻水道采用SLM成型工藝進(jìn)行3D打印，截面選用圓形截面，這樣不僅可減小邊角處的熱應(yīng)力積累，避免注塑時(shí)因應(yīng)力集中造成的模具損壞，還可較為準(zhǔn)確地借鑒傳統(tǒng)注塑模具冷卻水道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，更好地 控制模具的壁面溫度。某葉輪塑件的冷卻可分為端面及葉片兩部分，具體的冷卻方案如下：

（1）型腔的冷卻方案。
方案1，冷卻水道直徑為3mm，管道具有1個(gè)入水口，1個(gè)出水口，如圖2a所示。
方案2，冷卻水道直徑為4mm，冷卻水道整體外形為環(huán)形，如圖2b所示。
方案3，冷卻水道直徑為3mm，管道具有3個(gè)入水口，3個(gè)出水口，如圖2c所示。
方案4，冷卻水道直徑為4mm，冷卻水道整體外形為矩形，如圖2d所示。

（2）型芯的冷卻。
方案A，冷卻水道直徑為6mm，冷卻水道整體外形為環(huán)形，如圖2e所示。
方案B，冷卻水道直徑為6mm，冷卻水道整體外形為矩形，如圖2f所示。

在隨意冷卻前期設(shè)計(jì)中使用到一款軟件Moldflow，Moldflow是一款具有強(qiáng)大功能的專(zhuān)業(yè)注塑成型CAE軟件，目前被廣泛應(yīng)用于注射成型領(lǐng)域中的模流分析  。Moldflow2014版本更是可以用于隨形冷 卻水道的設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和優(yōu)化功能。在未來(lái)，隨著3D打印技術(shù)不斷的發(fā)展和應(yīng)用，隨形冷卻技術(shù)將會(huì)逐漸成為了注塑模具冷卻系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。用3D打印技術(shù)制造隨形冷卻模具，不僅簡(jiǎn)化了加工工藝，同時(shí)也方便隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的效率使冷卻水道的隨形性更為理想。


南極熊覺(jué)得，3d打印技術(shù)的普及將改寫(xiě)模具冷卻系統(tǒng)的概念，模具行業(yè)將進(jìn)入隨意冷卻時(shí)代。

本文非常具有價(jià)值