崔小龍,王敏杰,魏兆成,郭明龍,戚文軍,王金海
(1.大連理工大學(xué)模塑制品教育部工程研究中心,遼寧大連 116024;2.廣東漢邦激光科技有限公司,廣東中山 528427)
隨著3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展,隨形冷卻技術(shù)已經(jīng)成為模具冷卻系統(tǒng)的研發(fā)熱點(diǎn)。一些模具企業(yè)嘗試使用3D 打印技術(shù)直接制造模具,生產(chǎn)了傳統(tǒng)工藝無(wú)法加工的內(nèi)部具有復(fù)雜隨形冷卻水路的模具[1~3]。相比于傳統(tǒng)的冷卻方式,隨形冷卻可以使制品得到更加均勻充分的冷卻,冷卻效率更高[4]。激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)作為應(yīng)用最廣的金屬增材制造工藝之一,對(duì)于一些具有復(fù)雜型腔和成型質(zhì)量要求較高的模具,運(yùn)用SLM技術(shù)制造模具零件具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)3D打印隨形冷卻模具技術(shù)進(jìn)行了很多研究。白玉超研究了18Ni300馬氏體時(shí)效鋼模具的SLM 打印[5],認(rèn)為冷卻水路縱截面與鋪粉方向夾角的大小對(duì)水路成型的影響較小,縱向打印相比于橫向打印水路的變形程度更小。Abbès Boussad等將SLM技術(shù)與機(jī)械加工相結(jié)合制造出一種隨形冷卻模具鑲件[6],提高了模具零件的精度,使成型冷卻時(shí)間大幅減少。陳根余等研究了激光掃描輪廓參數(shù)對(duì)SLM 打印隨形冷卻模具的影響[7],重復(fù)掃描次數(shù)過(guò)多或過(guò)少均會(huì)導(dǎo)致零件表面粗糙度增大,致密度減小,過(guò)大的輪廓掃描偏移量會(huì)降低零件的表面質(zhì)量。Marin F等對(duì)SLM打印CX不銹鋼嫁接模具的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究[8],嫁接接觸面附近孔隙較少,無(wú)裂紋,隨著打印高度的增加,孔隙數(shù)量略有增加,嫁接模具的抗拉強(qiáng)度與硬度都有一定下降。徐華鵬對(duì)SLM 打印多孔結(jié)構(gòu)隨形冷卻模具進(jìn)行了研究[9],認(rèn)為具有多孔結(jié)構(gòu)的模具彈性模量高,抗壓強(qiáng)度大,成型制品達(dá)到熱平衡的時(shí)間相比于傳統(tǒng)隨形冷卻模具更短,且熱平衡后制品溫升較小。
目前,大多數(shù)研究都集中在3D 打印隨形冷卻模具的表面質(zhì)量、尺寸精度及力學(xué)性能等方面,關(guān)于打印過(guò)程中的熱積累對(duì)模具零件質(zhì)量影響的研究較少。為此,本文以一種內(nèi)部帶有螺旋形隨形冷卻水路的模具零件為對(duì)象,研究3D 打印過(guò)程中的熱量積累對(duì)其溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響,以選擇合適的打印工藝,提高模具零件的3D打印質(zhì)量。
3D打印零件為一帶有隨形冷卻水路的注塑模具鑲件,設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示。零件呈階梯狀,內(nèi)部設(shè)計(jì)有螺旋形隨形冷卻水路,水路自下而上隨著零件直徑的減小隨形變化。零件沿軸線方向逐層打印,打印材料為18Ni300馬氏體時(shí)效鋼。
圖1 隨形冷卻模具零件設(shè)計(jì)尺寸
采用SLM技術(shù)打印零件過(guò)程中,隨著打印高度的增大,零件下部保留的熱量增加,散熱的速率會(huì)越來(lái)越小,導(dǎo)致熱量在打印零件內(nèi)大量積累,這種熱積累對(duì)零件的打印質(zhì)量會(huì)造成不利的影響。因此,需要通過(guò)打印過(guò)程的模擬選擇合適的打印工藝,以減小熱積累的影響。
本研究是在基板預(yù)熱和未預(yù)熱兩種條件下,數(shù)值模擬打印過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),以及熱循環(huán)曲線和應(yīng)力變化曲線等結(jié)果,以分析熱積累對(duì)零件打印過(guò)程的影響。
根據(jù)模具零件的結(jié)構(gòu),采用Creo 6.0軟件進(jìn)行三維建模。打印采用的基板材料為316L 不銹鋼,尺寸為80×80×15mm,基板網(wǎng)格劃分為4×4×4mm。模具零件采用分層四面體網(wǎng)格劃分,四面體邊長(zhǎng)為2mm。網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。
圖2 網(wǎng)格劃分
通過(guò)JmatPro 材料性能模擬軟件獲得18Ni300 材料在不同溫度下的物性參數(shù),如表1所示。
表1 18Ni300的物性參數(shù)
模擬采用的打印工藝參數(shù)如表2所示,其中層間冷卻時(shí)間是指零件在連續(xù)打印兩層時(shí)中間停留的時(shí)間。
表2 打印工藝參數(shù)
模擬軟件采用ANSYS Workbench Additive。在基板未預(yù)熱條件下,溫度場(chǎng)模擬的換熱系數(shù)取20。在基板預(yù)熱150℃條件下[10~11],通過(guò)加大冷卻,打印層表面對(duì)流換熱增強(qiáng),換熱系數(shù)取120。
3.4.1 不同高度的溫度場(chǎng)云圖
通過(guò)數(shù)值模擬得到不同高度打印層冷卻后的溫度場(chǎng)云圖如圖3 和圖4 所示。在基板未預(yù)熱的條件下,隨著打印高度的增加,熱量逐漸向零件的下部傳導(dǎo),打印層的最高溫度增大,熱影響區(qū)域變大。這是由于剛開始打印時(shí),環(huán)境溫度較低,需要較大的激光能量才能使材料熔化。而在打印后續(xù)層時(shí),鋪粉后前一層的熱量向上傳遞起到了預(yù)熱作用,所以輸入相同的激光能量,零件的整體溫升更高,熱影響區(qū)增大?;孱A(yù)熱150℃時(shí),最高溫度較未預(yù)熱時(shí)降低了145.73℃,最大溫度差較未預(yù)熱時(shí)降低了114.19℃。零件整體溫度分布更加均勻,有利于打印出組織及性能上下均勻的模具零件。
圖3 基板未預(yù)熱的打印溫度分布
圖4 基板預(yù)熱150℃的打印溫度分布
3.4.2 打印層溫度變化
模擬得到的打印層溫度變化曲線如圖5所示?;逦搭A(yù)熱時(shí),打印初期溫升速率較快,后期層溫增速減緩。這是由于初期打印層靠近基板,溫度較低,散熱速率較小,隨著打印高度的增加,溫度升降的速度趨于穩(wěn)定。同時(shí)由于高度增加,零件的橫截面減小,吸收的激光能量減少,散熱更快,因此,在不同截面積的過(guò)渡處打印層溫度有所下降?;孱A(yù)熱150℃時(shí),打印層溫度上升速率減緩,冷卻速率更快,有利于晶粒細(xì)化[12],強(qiáng)化模具零件性能。
圖5 打印層溫度變化曲線
3.4.3 不同高度的熱循環(huán)曲線
為了對(duì)比熱歷程差異,數(shù)值模擬得到了不同高度打印層中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖6所示。各打印層中心點(diǎn)的溫度曲線都經(jīng)歷了多次波動(dòng),表明后續(xù)各層的打印過(guò)程都會(huì)影響當(dāng)前打印層的熱循環(huán)?;逦搭A(yù)熱時(shí),22mm 高處打印層中心點(diǎn)的后續(xù)波峰溫度相對(duì)較高,原因是零件的水平孔下方無(wú)實(shí)體支撐,阻礙了熱量向下傳導(dǎo),熱量不易擴(kuò)散。隨著打印高度的增加,各層的平衡溫度逐漸升高。基板預(yù)熱150℃時(shí),由于零件的整體溫度升高,導(dǎo)致2mm高處打印層中心點(diǎn)的初始熱循環(huán)溫度增大,而冷卻速率的加快使后續(xù)打印層對(duì)該層的熱影響減小,導(dǎo)致其溫度波動(dòng)幅度減小。各打印層的平衡溫度降低,有效減小了熱積累。
圖6 不同高度打印層中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線
將溫度場(chǎng)模擬結(jié)果作為載荷加載到各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)模擬,以分析不同打印條件下模具零件應(yīng)力場(chǎng)的差異。
3.5.1 不同高度的熱應(yīng)力場(chǎng)云圖
通過(guò)數(shù)值模擬得到不同高度打印層冷卻后的熱應(yīng)力場(chǎng)云圖如圖7和圖8所示。在基板未預(yù)熱的條件下,隨著打印高度的增加,熱應(yīng)力增大,高應(yīng)力區(qū)域減小,應(yīng)力主要集中在零件底部與基板連接處。這是由于在打印過(guò)程中,激光會(huì)再次加熱先前打印層,相當(dāng)于對(duì)其進(jìn)行熱處理,釋放了部分應(yīng)力,使高應(yīng)力區(qū)域減小??拷宓拇蛴邮艿降臒嵊绊戄^小,熱應(yīng)力不能充分釋放,因而該位置熱應(yīng)力增大?;孱A(yù)熱150℃時(shí),零件的高應(yīng)力區(qū)域相比未預(yù)熱時(shí)減小,打印高度為50mm 時(shí)尤為明顯,這是因?yàn)槔鋮s速率增大后打印層散失了更多的熱量,層溫降低,且預(yù)熱提高了基板與金屬粉末的初始溫度,兩方面綜合能夠有效改善溫度場(chǎng)的分布,降低打印過(guò)程中的溫度梯度,因而高應(yīng)力區(qū)域減小。
圖7 基板未預(yù)熱的熱應(yīng)力分布
圖8 基板預(yù)熱150℃的熱應(yīng)力分布
模擬得到高度22mm打印層中心點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線如圖9所示。激光移動(dòng)到該點(diǎn)時(shí)熱應(yīng)力迅速增大,然后呈現(xiàn)往復(fù)式變化,之后逐漸趨于平穩(wěn)?;逦搭A(yù)熱時(shí),該位置的熱循環(huán)溫度較高,零件的塑性變形進(jìn)一步增大,因而冷卻收縮后熱應(yīng)力較大?;孱A(yù)熱150℃時(shí),散熱加快,較低的熱循環(huán)溫度釋放了部分應(yīng)力,使熱應(yīng)力減小。
圖9 高度22mm打印層中心點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線
3.5.2 殘余應(yīng)力云圖
模擬得到的殘余應(yīng)力云圖如圖10 和圖11 所示。在打印完成零件溫度降到室溫后,應(yīng)力值相比于打印結(jié)束時(shí)增大很多,呈拉應(yīng)力狀態(tài),這是由于剛打印結(jié)束時(shí)零件仍有很高的溫度,熱應(yīng)力在不斷變化,且在冷卻過(guò)程中零件降溫速率極快,因而產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力?;逦搭A(yù)熱時(shí),零件內(nèi)部水平孔附近形成了大面積的高應(yīng)力區(qū)域?;孱A(yù)熱150℃時(shí),零件表面的殘余應(yīng)力減小,位于水平孔附近的高應(yīng)力區(qū)域基本消失。零件中心沿Z 方向的殘余應(yīng)力分布如圖12 所示。在基板預(yù)熱150℃的條件下,零件中下部的殘余應(yīng)力較未預(yù)熱時(shí)明顯減小,減小了模具零件出現(xiàn)變形、開裂等問(wèn)題的可能性。
圖10 基板未預(yù)熱的殘余應(yīng)力分布
圖11 基板預(yù)熱150℃的殘余應(yīng)力分布
圖12 沿Z方向殘余應(yīng)力分布
3.5.3 變形云圖
模擬得到的打印零件變形云圖如圖13 所示?;逦搭A(yù)熱時(shí),變形較大的位置主要在零件的中上部,最大變形量約為0.739mm。基板預(yù)熱150℃時(shí),零件發(fā)生變形的位置以及變形值都有明顯的變化,零件整體變形相對(duì)更小,最大變形量比未預(yù)熱時(shí)減小了0.12mm。
圖13 打印零件變形云圖
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用廣東漢邦激光科技有限公司的HBD-280打印機(jī),在基板未預(yù)熱和基板預(yù)熱150℃條件下,打印得到的隨形冷卻模具零件如圖14所示。打印零件越接近基板的地方,外觀顏色的變化越大,說(shuō)明受熱積累的影響越大。與基板未預(yù)熱相比,基板預(yù)熱150℃打印零件外觀顏色的變化較小,說(shuō)明基板預(yù)熱減小了熱積累效應(yīng)對(duì)打印過(guò)程的影響。
圖14 3D打印的隨形冷卻模具零件
在基板未預(yù)熱和預(yù)熱150℃條件下,打印零件在不同高度橫截面的外圓輪廓分別如圖15 和16 所示。基板預(yù)熱150℃時(shí)的輪廓掛渣相對(duì)較少,外圓表面質(zhì)量更好。這是由于在基板未預(yù)熱的條件下,熱積累嚴(yán)重,打印層溫度很高,粉末容易出現(xiàn)過(guò)熔現(xiàn)象,導(dǎo)致外圓附近的粉末燒結(jié)在輪廓周圍,同時(shí)過(guò)高的溫度也會(huì)使打印過(guò)程的飛濺增多[13],故表面掛渣較多?;孱A(yù)熱150℃時(shí),冷卻速率加快,打印層溫度降低,粉末過(guò)熔與飛濺現(xiàn)象減少,因而掛渣較少。
圖15 基板未預(yù)熱的外圓輪廓
在基板未預(yù)熱和預(yù)熱150℃條件下,打印零件在不同高度橫截面的外圓直徑尺寸偏差如圖17 所示。基板預(yù)熱150℃條件下的尺寸偏差較小且穩(wěn)定,而基板未預(yù)熱打印的尺寸偏差較大。這是由于在基板未預(yù)熱條件下,隨著打印高度的增加,打印層溫度上升,熔化的金屬粉末增多,液相存在的時(shí)間延長(zhǎng),液態(tài)金屬凝固時(shí)容易向粉末區(qū)蔓延,因而尺寸偏差較大?;孱A(yù)熱150℃條件下,打印層溫度降低,熱影響區(qū)減小,液態(tài)金屬來(lái)不及向四周蔓延就迅速冷卻凝固,使尺寸偏差減小。
圖17 打印零件外圓直徑的尺寸偏差
在基板未預(yù)熱和預(yù)熱150℃條件下,打印零件不同高度橫截面的洛氏硬度如圖18 所示。基板預(yù)熱150℃比基板未預(yù)熱的打印零件硬度更高,這是由于在基板未預(yù)熱的條件下,較高的熱循環(huán)溫度會(huì)導(dǎo)致晶粒的粗化,增加了組織中奧氏體的含量[14~15],同時(shí),零件內(nèi)部存在較高的殘余拉應(yīng)力[16],因而硬度值偏小。基板預(yù)熱150℃時(shí),打印層表面對(duì)流散熱增加,熱循環(huán)溫度降低,釋放了部分應(yīng)力,同時(shí)有利于晶粒細(xì)化,因而硬度值普遍提高。
圖16 基板預(yù)熱150℃的外圓輪廓
圖18 打印零件的硬度
針對(duì)3D 打印隨形冷卻模具零件的熱積累現(xiàn)象,對(duì)基板未預(yù)熱和預(yù)熱150℃兩種條件下打印零件的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及打印結(jié)果進(jìn)行了模擬分析和實(shí)驗(yàn)。得出結(jié)論如下:
(1)在基板未預(yù)熱條件下,由于打印過(guò)程的層間溫差大、熱傳導(dǎo)快,導(dǎo)致打印零件溫度分布的均勻性差,熱積累效應(yīng)的影響明顯。在基板預(yù)熱150℃條件下,打印過(guò)程的熱傳導(dǎo)減緩,打印零件溫度分布相對(duì)均勻,熱積累效應(yīng)的影響減小,有利于打印出組織與性能更優(yōu)良的模具零件。
(2)在基板未預(yù)熱條件下,熱應(yīng)力主要集中在零件底部與基板連接處,冷卻后零件內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大,變形較大。在基板預(yù)熱150℃條件下,由于溫度梯度變小導(dǎo)致局部熱應(yīng)力減小,零件表面的殘余應(yīng)力減小,有利于減小模具零件出現(xiàn)變形、開裂等問(wèn)題的可能性。
(3)在基板未預(yù)熱條件下,打印模具零件外圓表面的掛渣嚴(yán)重,尺寸偏差較大,硬度偏低。在基板預(yù)熱150℃條件下,零件外圓表面掛渣減少,尺寸精度提高,硬度增大,打印質(zhì)量更好。