3D打印與模具冷卻水路的美妙產(chǎn)物——異型水路

我們知道要得到合格的注塑品，至少有兩點必須牢記：注塑時熔體在模腔中的流動速度盡可能相同、模具內(nèi)腔壁的溫度盡可能相同。異型水路相對傳統(tǒng)水路，能夠更加均勻地分布在模具腔的周圍，給制品均勻降溫，從而為精密制造帶來保障！下面首先通過幾款異型水路結(jié)構(gòu)來感受一下吧！

為什么需要異型水路？
冷卻系統(tǒng)(CoolingSystem)是設(shè)計模具工程之一，當(dāng)模具的塑膠原料加熱注入至溫度較低的模具后，需要等待模具冷卻才能取成品，此時需仰賴著冷卻系統(tǒng)加以冷卻并且脫模。冷卻系統(tǒng)影響了脫模時間、制品質(zhì)量、制品外觀等，影響質(zhì)量甚巨。

異型水路相對傳統(tǒng)水路，能夠更加均勻地分布在模具腔的周圍，給制品均勻降溫，從而為精密制造帶來保障！
什么是異型水路？

異型水路是依照產(chǎn)品外形所設(shè)計的、形狀復(fù)雜不規(guī)整的冷卻水路。其設(shè)計跳出傳統(tǒng)設(shè)計位置和框架，讓水路能貼著模穴表面幾何形狀的變化而變化，不僅為模具設(shè)計師們提供了更大的模具設(shè)計空間，而且能簡化冷卻水路的設(shè)計方法。更進一步來看，模具的散熱水路設(shè)計方式也可以采用不規(guī)則形狀設(shè)計，提升散熱效率，這就是異型水路的基本原理。

異型水路實現(xiàn)的困難在哪里？
制作異型水路的工法受到了既有技術(shù)的限制，方式是將模具加以鉆孔或切割焊合，不僅施工十分復(fù)雜，模具的壽命也會因為二次加工的緣故而縮短，因此很長一段時間，異型水路設(shè)計只能停留在理論階段。

但是自從金屬3D打印出現(xiàn)后，這些問題獲得了突破性改善。

之所以這么說，首先要從3D打印技術(shù)說起，3D打印是近年進展迅速的工程技術(shù)，最大的優(yōu)勢是3D打印的原理為加法制造，因此沒有造型上的限制，即使是物體內(nèi)的復(fù)雜造型與管線，對3D打印來說并不構(gòu)成困難，模具產(chǎn)業(yè)注意到3D金屬打印的價值。

不論是多少直徑的模具水路，或是一般車床難以施作的內(nèi)角加工，金屬3D打印皆可輕易達成，更棒的是，即使異型水路的規(guī)劃方式復(fù)雜，金屬3D打印只要一次施作過程，皆能精準的同時完成模具與異型水路。

異型水路的效益體現(xiàn)在哪里？
根據(jù)3DSystems所分享的Bastech成功案例，可以得知異型水路結(jié)合3D打印技術(shù)的加持下改良過后的模具可以繞過頂銷與固定螺絲，即使水路距離區(qū)域較遠，也能夠達到理想的冷卻質(zhì)量。異型水路的效益如下：
模具設(shè)計時間減少75%
制造端人力可以節(jié)省50%
省下14％射出模具生產(chǎn)周期
制造費用得以節(jié)省16%
注：該數(shù)據(jù)僅供參考

當(dāng)然，并不是所有的模具都需要異型水路設(shè)計，因為異型水路的價格比傳統(tǒng)水路貴。一般來說，產(chǎn)品形狀復(fù)雜而無法有效散熱、薄壁等對溫度異常敏感、對制品質(zhì)量要求高的產(chǎn)品都需要有異型水路的模具。

異型水路的制造方法有哪些？
異型水路傳統(tǒng)CNC無法制造，目前常見的制造方法有3D金屬鐳射燒結(jié)法和擴散焊接法。
3D金屬鐳射燒結(jié)法即為直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（DirectMetalLaser-Sintering），通過高能激光束融化層層堆疊的金屬粉末，從而得到特定形狀產(chǎn)品。

擴散焊接為高溫、高壓及真空環(huán)境下，兩個（或兩個以上）模具部件相連接的平面焊接技術(shù)。

擴散焊接相對3D金屬鐳射燒結(jié)，制作模具的時間、成本都較低；但異型水路越復(fù)雜，擴散焊接需要的時間和部件數(shù)目就越多，而3D金屬鐳射燒結(jié)法理論上幾乎不受影響。所以說，擴散焊接適用于結(jié)構(gòu)簡單的異型水路。

異型水路實例分析
如圖所示，產(chǎn)品幾何類似一個具有開口的長條物品，長約9公分，開口深度約5公分；該產(chǎn)品開口區(qū)域因幾何設(shè)計產(chǎn)生溫度積熱并引發(fā)翹曲問題，由于開口深度過深，局部散熱不易，冷卻周期過長。

下面兩圖為傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計案進行的3D模流分析結(jié)果，由模具剖面溫度來看，開口底部有相當(dāng)明顯的積熱問題，模面溫差高達40℃，造成產(chǎn)品嚴重翹曲問題；

由CAE分析與實際開模結(jié)果都顯示產(chǎn)品開口有相當(dāng)明顯的變形，無法滿足組裝精度要求。如下圖所示。

由于產(chǎn)品本身是裝配件，在考慮先天幾何限制后，決定采用異型水路來解決上述問題，水路設(shè)計方式如圖所示。

進一步進行產(chǎn)品翹曲分析，如圖所示，翹曲問題已大幅改善，客戶所關(guān)心的開口尺寸變形已大幅降低25.6%。

來源：制造業(yè)生態(tài)圈