汪祥 張永仁 張達(dá) 王新坤 閆建姬

（嵐圖汽車科技有限公司，武漢 430058）

1 前言

選擇性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)是3D 打印工藝中的一種，采用紅外波段的激光源，根據(jù)零件截面的幾何形狀逐層掃描金屬粉體材料，使粉體顆粒受熱、熔融，彼此粘接形成三維實(shí)體，用它能直接成型出接近完全致密度的金屬零件。隨著材料種類的增加和材料性能的提升，SLM 技術(shù)在工程中應(yīng)用越來越廣泛。

注塑成型過程中，冷卻所占比例約為成型周期的60%，冷卻周期很大程度上直接影響到生產(chǎn)周期。生產(chǎn)周期的降低可以提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，提高利潤。SLM工藝的出現(xiàn)，為注塑模具隨形冷卻水路設(shè)計(jì)提供了新的思路。傳統(tǒng)冷卻管道為橫平豎直樣式，區(qū)域受到加工技術(shù)限制不能做冷卻管路，這樣極大影響了最終成型周期及產(chǎn)品質(zhì)量。隨形冷卻采用粉末逐層燒結(jié)技術(shù)，這就賦予了設(shè)計(jì)的自由性，讓管路隨著產(chǎn)品的外形布局。

以某車型電路板外殼為例，基于SLM 技術(shù)設(shè)計(jì)了隨形冷卻水路，并采用MoldFlow 和Ansys 對(duì)隨形冷卻方案效果進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)冷卻方案進(jìn)行對(duì)比。最后采用金屬3D 打印工藝制作模仁及冷卻水道，在注塑模具上進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，隨形冷卻方案大大提高了注塑效率，減少了產(chǎn)品變形。

2 電路板外殼隨形冷卻方案設(shè)計(jì)

2.1 電路板外殼技術(shù)要求

圖1 為某電路板外殼數(shù)據(jù)，量產(chǎn)材料為聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT），溶體溫度252 ℃，產(chǎn)品冷卻定型出模溫度50 ℃，零件尺寸為75 mm×68 mm×24.5 mm，產(chǎn)品量綱為30 萬件。尺寸要求：產(chǎn)品加熱到80 ℃，口部變形度＜0.3 mm。

圖1 某車型電路板外殼示意

2.2 基于SLM工藝的隨形冷卻水路設(shè)計(jì)

隨形冷卻水路的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮模具水路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和SLM 工藝成型性，即在滿足工藝成型性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出冷卻性能最優(yōu)的水路。

基于SLM 工藝的隨形冷卻水路設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則[1]如下：

2.2.1 水路的直徑

通常水路直徑＞1 mm 時(shí)才能起到冷卻效果。

2.2.2 橫截面面積

盡管3D 打印可以定制形狀，但是在設(shè)計(jì)水路橫截面時(shí)應(yīng)保證水路截面積不變，從而保證恒定體積的冷卻液通過管道。

2.2.3 與模具表面的距離

一般傳統(tǒng)水路管壁到膠位的最小距離為水路直徑的1～1.5 倍。但是3D 水路運(yùn)用的案例一般局部距離較為局促，需要保證水路到膠位的距離不變（一般最小為2 mm），從而達(dá)到均勻的冷卻效果。

2.2.4 冷卻水路長度

盡管3D 打印水路不存在傳統(tǒng)加工時(shí)的鉆頭鉆偏錯(cuò)位，但是3D 水路也不宜過長，以便冷卻水快速的進(jìn)出，保證熱量被快速帶走。

2.2.5 冷卻分支

盡管多分支水路視覺沖擊感很強(qiáng)，但是實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì)遇到很多不可察覺的問題。

電器盒Z方向（厚度方向）尺寸為11.6～24.5 mm，變化較大，同時(shí)，電器盒口部尺寸為關(guān)鍵尺寸，需保證充分的冷卻?；诖艘蠹八返脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)的水路方案如圖2所示。

圖2 電器盒水路設(shè)計(jì)方案

為驗(yàn)證基于SLM 技術(shù)的隨形冷卻方案冷卻效果，設(shè)計(jì)圖3 所示傳統(tǒng)水路作為對(duì)照項(xiàng)。

圖3 傳統(tǒng)水路及隨形冷卻水路

2.3 隨形冷卻水路方案CAE驗(yàn)證

為保證分支流道水流速度，避免“死水”，對(duì)2.2 節(jié)方案進(jìn)行流速分析優(yōu)化。同時(shí)，為確定入水口，對(duì)2 種方案進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果顯示，在不對(duì)主流道與分流道交叉處結(jié)構(gòu)做優(yōu)化的情況下，方案1 從右側(cè)入水，較高的入水速度更有利于模具散熱，流道交叉處阻力更小。

圖4 流道流速分析

流道速度場(chǎng)及管壁分析結(jié)果如圖5 所示，入水口與出水口溫差在5 ℃以內(nèi)，水流速度偏小處及水流路徑較長的外側(cè)水路溫度升高較多，可適當(dāng)增大外側(cè)水路直徑提高其流速增大散熱量。

圖5 流道速度場(chǎng)及管壁分析

對(duì)電器盒平均體積収縮進(jìn)行分析，結(jié)果圖6 所示，分布基本一致，接近4.2%。對(duì)Z向尺寸變形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7 所示，最大變形0.3 mm，且變形均勻，在考慮模具縮放的情況下可以對(duì)變形量進(jìn)一步控制。

圖6 收縮率分析

圖7 Z向變形分析

基于以上分析結(jié)果，該方案可以達(dá)到產(chǎn)品最大變形量0.3 mm 的要求。

3 基于SLM工藝的隨形冷卻模芯制作

3.1 材料選擇

電器盒量綱為30 萬件，采用SLM 工藝制作帶隨形冷卻水路的模仁，模仁材料性能必須接近模具鋼。以傳統(tǒng)模具常用的S42020 模具鋼材料為例，與SLM 材料18Ni300 對(duì)比，性能如表1所示。

表1 3D打印材料與模具鋼材料性能對(duì)比

由表1 可知，18Ni300 熱處理后的性能與S42020 相當(dāng)，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度指標(biāo)均能滿足模具材料要求[2]。

3.2 模具制作及后處理

SLM 工藝采用金屬分模燒結(jié)成型，成型后的樣件表面粗糙，研究表明，制件不同方向上粗糙度不同，如表2 所示，從Ra3.7 μm 至11.2 μm，需要對(duì)其進(jìn)行機(jī)加或拋光處理。

表2 不同燒結(jié)方向粗糙度Ra μm

由于SLM 制作的模仁，需要進(jìn)行拋光后處理，在3D 打印之前，必須預(yù)留加工余量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，加工余量設(shè)計(jì)為0.5 mm。為控制模仁的尺寸變形，SLM 制作完成后，需要帶基板一同進(jìn)行熱處理，熱處理完成后才能將模仁從基板上切割下來。SLM工藝制作的模仁及拋光后效果如圖8 所示。在拋光過程中，模仁表面出現(xiàn)砂眼，需要進(jìn)行補(bǔ)焊。

圖8 模仁拋光前后表面效果對(duì)比

4 隨形冷卻模具效果

對(duì)2.2 節(jié)中2 種水路模具進(jìn)行試模，結(jié)果如表3所示。采用常溫冷卻水，傳統(tǒng)冷卻模仁方案批量注塑成型時(shí)間為100 s，隨形冷卻為55 s，效率提升45%。采用恒溫20 ℃冷卻水，效率可以進(jìn)一步提升50%。

表3 試模數(shù)據(jù)對(duì)比

試模產(chǎn)品如圖9 所示，左側(cè)灰色為傳統(tǒng)方案，口部變形明顯，右側(cè)為隨形冷卻方案，尺寸變形小于0.3 mm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9 試模產(chǎn)品變形量對(duì)比示意

5 結(jié)束語

綜上所述，基于SLM 技術(shù)設(shè)計(jì)和制作隨形冷卻模仁，可以大大提高注塑成型效率，并減小產(chǎn)品的形變。推廣開來，對(duì)于電器盒類盒狀和杯子狀的曲率變化的產(chǎn)品，采用SLM 工藝的隨形冷卻方案，可以大大提高注塑效率。

雖然基于SLM技術(shù)的隨形冷卻方案相比于傳統(tǒng)水路設(shè)計(jì)具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是也存在一些缺陷。

a.制造成本高。18Ni300 粉末約300 元/kg，SLM 設(shè)備綜合單價(jià)約300 元/h，本方案隨形冷卻模仁成本約6 000 元，而傳統(tǒng)冷卻水路模仁僅需2 000元。

b.SLM 制件表面效果差。SLM 成型件表面粗糙度為Ra10 μm，平均硬度為HRC 35.7，未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求，需要進(jìn)行打磨和熱處理才能滿足工業(yè)要求。

c.制件質(zhì)量不穩(wěn)定。SLM 工藝未形成統(tǒng)一規(guī)范，不同成型設(shè)備和材料，需要不同的成型條件，制件易出現(xiàn)縮孔等質(zhì)量問題。

隨著材料和3D 打印技術(shù)的發(fā)展，上述問題的解決將會(huì)大大推動(dòng)其在模具行業(yè)的應(yīng)用。