基于SLM快速成型方法的注塑模具隨形冷卻水路關(guān)鍵技術(shù)研究

劉建元，閆麗靜，李 炳，高俊國

LIU Jian-yuan, YAN Li-jing, LI Bing, GAO Jun-guo

（廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程系，東莞 523083）

0 引言

傳統(tǒng)模具冷卻水路主要采用鉆孔的常規(guī)加工方法，所以設(shè)計(jì)的注塑模具冷卻水路主要是直線型；水路還受到頂出系統(tǒng)、抽芯機(jī)構(gòu)、鑲拼結(jié)構(gòu)、骨位等的約束限制，因此模具本身的結(jié)構(gòu)特征也嚴(yán)重的制約著冷卻水道的分布、大小和數(shù)量；通過實(shí)踐及理論研究并借助模流分析軟件的仿真模擬表明更貼近塑料件形狀的隨形水路一方面可以大幅提升對(duì)塑料制品的冷卻效率、縮短成型周期、增加產(chǎn)能；另一方面還可達(dá)到更加均勻的冷卻效果以降低殘留應(yīng)力從而減少塑件的變形。

選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）加工采用分層制造技術(shù)，如圖1所示，用切片與計(jì)算機(jī)三維模型實(shí)體相交的輪廓信息控制激光束按一定的掃描路徑選擇性的熔化各層金屬粉未，逐步堆積成一個(gè)冶金結(jié)合、組織致密的金屬實(shí)體，在每一層截面中，系統(tǒng)在切面與零件實(shí)體相交的輪廓內(nèi)生成激光熔化路徑以對(duì)金屬粉未進(jìn)行熔化成型，激光不熔化粉床切片區(qū)域外的金屬粉未，當(dāng)一個(gè)層面熔化成型完成后，工作臺(tái)即下降一個(gè)層厚的高度，下降高度在0.1毫米內(nèi)，此時(shí)敷料輥又在已成形的上表面鋪上一層均勻密實(shí)的“粉末”，重復(fù)進(jìn)行掃描熔化成型、直到完成整個(gè)零件的造型。

可以類比數(shù)控加工路徑來理解激光熔化掃描路徑，數(shù)控銑削加工中，數(shù)控加工路徑是用來切除毛坯比被加工（目標(biāo)）零件多出的那部份工件體積，是通過減材料來制造零件；而選擇性激光熔化是利用直接針對(duì)目標(biāo)零件的分層激光熔化路徑對(duì)金屬粉未進(jìn)行熔化來制造目標(biāo)零件，是增材料加工。

圖1 選擇性激光熔化（SLM）成型工作原理圖

由SLM的原理可知，任何帶有復(fù)雜的內(nèi)型內(nèi)腔的零件加工實(shí)際都變?yōu)橐粋€(gè)平面的二維激光掃描熔化金屬粉未的過程，用SLM工藝加工模具的隨形冷卻水路本質(zhì)就是在金屬零件上加工復(fù)雜的內(nèi)型內(nèi)腔，而這是SLM的優(yōu)勢(shì)所在。用SLM工藝制造注塑模具不受模具冷卻水路復(fù)雜程度的限制，這就讓工程師可以依據(jù)制品的幾何形狀設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理的隨形冷卻水路，而不必?fù)?dān)心機(jī)械加工的限制，如圖2（a）及圖2（b）所示的隨形冷卻水路模具均可采用SLM工藝成型，圖2(c)是SLM工藝成型的隨形水路模具，其內(nèi)部含有較復(fù)雜空間分布的隨形水路。

圖2 SLM成型帶有隨形水路的模具零件

1 隨形冷卻水路設(shè)計(jì)過程

1)設(shè)計(jì)隨形水路的有關(guān)計(jì)算理論

（1）冷卻時(shí)間計(jì)算

式中S為制品的最大厚度（mm）；k為塑件的熱擴(kuò)散率（mm2/s）；t0為塑件熔體的注射溫度(℃)；tw為模具溫度(℃)；t2為制品截面內(nèi)的平均脫模溫度(℃)。

（2）模具冷卻所需的水流量q

（3）冷卻水的流速與流量的關(guān)系

（4）冷卻管道的傳熱面積

上述關(guān)系式中：Δt為模溫與冷卻介質(zhì)的平均溫差，h為冷卻管壁與冷確介質(zhì)的換熱系數(shù)，λ為冷卻介質(zhì)的導(dǎo)熱率，u為冷卻介質(zhì)的粘度。

2)將UG設(shè)計(jì)的3D制品轉(zhuǎn)換成STL格式，導(dǎo)入Moldflow中，劃分并修改好網(wǎng)格，使網(wǎng)格狀態(tài)滿足合理的網(wǎng)格劃分要求以保證后續(xù)分析的正確性，根據(jù)計(jì)算理論，設(shè)計(jì)好模具的若干種隨形冷卻方案。

按照上述計(jì)算理論，根據(jù)具體的塑料件，結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，便可得到冷卻水路所需的各重要工藝參數(shù)，如平均冷卻時(shí)間，冷卻水體積流量，冷卻管直徑、冷卻水的流速、冷卻管道長度，這些參數(shù)是設(shè)計(jì)隨形冷卻水路的重要參數(shù)依據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，水孔中心距取水孔直徑的3～5倍。

3）擬定隨形冷卻工藝條件，對(duì)設(shè)計(jì)好的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻模擬及結(jié)果分析。

如某制品的冷卻工藝條件為：材料選用APIC15的聚丙烯（PP），工藝參數(shù)為：熔體溫度為220℃，型腔溫度為35℃，冷卻介質(zhì)為水，溫度為25℃，入口雷諾數(shù)為10000，整個(gè)注塑成型周期為34S，其中注射、保壓及冷卻時(shí)間為29S，用于頂出的時(shí)間為5S。

Moldflow通過制品、模具、冷卻系統(tǒng)間的傳熱分析，能將冷卻介質(zhì)的溫度模擬分析、冷卻水流速分布、制品凝固成型時(shí)間模擬分析、型腔的表面溫度分布模擬、泠卻管路溫度分布等直觀的展示給用戶。

優(yōu)化改進(jìn)方案：由于冷卻水路是建立在相關(guān)理論及相關(guān)參數(shù)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過模擬分析驗(yàn)證水路能初步實(shí)現(xiàn)預(yù)期的冷卻效果，在幾個(gè)冷卻方案中選取最優(yōu)方案，可對(duì)最優(yōu)的冷卻水路進(jìn)行必要的修改，使設(shè)計(jì)的水路完全滿足設(shè)定的冷卻參數(shù)。

2 用UG等三維造型軟件繪制模具零件的隨形水路

在Moldflow中通過模擬分析并結(jié)合模具實(shí)際加工制作情況確定最優(yōu)的隨形水路，用UG等軟件在模具零件（模仁）上重新建構(gòu)確定好的隨形水路，方法如下：

1）用UG等軟件的分模功能及零件建模功能設(shè)計(jì)出模仁等模具零件。

2）規(guī)劃出水道中心線的軌跡，確定軌跡線大至有如下方法可資參考：

（1）根據(jù)模擬分析結(jié)果、直接用曲線或草圖描述水路中心軌跡線。

（2）用曲線投影線描述水路軌跡。

（3）先用UG的點(diǎn)功能按坐標(biāo)繪制水路所經(jīng)過的空間各點(diǎn)，然后用光滑的樣條曲線將各點(diǎn)連接起來、此光滑的樣條曲線作為水路的軌跡。

（4）先確定水路經(jīng)過的曲面，然后直接在此曲面內(nèi)繪制光滑的樣條曲線。

（5）用管體、掃描等造型命令繪制所有的水路系統(tǒng)，進(jìn)行隨形水路系統(tǒng)的布爾運(yùn)算，然后用模仁與水路系統(tǒng)進(jìn)行布爾差運(yùn)算，既可得到模仁或其它模具零件的真實(shí)的隨形水路。借助于UG等三維造型設(shè)計(jì)軟件很容易設(shè)計(jì)復(fù)雜的隨形水路，圖3為按上述過程用UG最后設(shè)計(jì)好的凹模仁的隨形水路。

圖3 通過CAE模擬并用UG設(shè)計(jì)帶有隨形水路的沖電器凹模

3 采用SLM工藝成型帶有隨形水路的激光掃描路徑及策略

3.1 SLM掃描路徑及其成型工藝性比較分析

SLM工藝要使用激光掃描線填充每個(gè)切片以熔化金屬粉未，由激光和振鏡組成的掃描系統(tǒng)要作大量的掃描，激光掃描路徑類似于數(shù)控加工中的刀具路徑，選擇恰當(dāng)?shù)募す鈷呙杪窂綄?duì)SLM成型至關(guān)重要?？茖W(xué)、合理、精準(zhǔn)、高效的激光熔化軌跡，不僅可以提高設(shè)備的制造效率、延長使用壽命，還能大幅提高零件的加工精度、表面的光潔度、零件致密度；減小翹曲變形、減少加工失敗的機(jī)率、減輕零件后處理工作多從而提升SLM的成型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在金屬的SLM工藝中，不同的激光燒結(jié)掃描方式在不同方向上的掃描線長度不同，引起矢量方向上熔化后零件的膨脹和收縮變化量也不同，這種不同的變化量一方面影響了最終燒結(jié)成型產(chǎn)品的尺寸精度另一方面也是產(chǎn)品發(fā)生翹曲變形的重要原因。

圖4 選擇性激光熔化常見掃描路徑

對(duì)于圖4(a)及圖4(b)所示的掃描路徑，在平行于掃描方向會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)力的定量描述公式為：式中表示沿掃描方向在t時(shí)刻的掃描速度，T表示從掃描開始到掃描到當(dāng)前位置所經(jīng)歷的時(shí)間，D表示掃描路徑的平均熔化寬度，H表示燒結(jié)熔化層厚度，C表示金屬粉未熱傳導(dǎo)率，K為系數(shù)。

據(jù)上述公式可知：在圖4（a）及圖4（b）的掃描方式中，在水平方向上，路徑沿激光束矢量方向上的長度最長，其膨脹和收縮量最大，因而掃描過程中沿水平方向拉伸應(yīng)力也最大；圖4（a）及圖4（b）中在垂直于掃描路徑的豎直方向掃描路徑較短，因此內(nèi)應(yīng)力較小，發(fā)生翹曲變形量也較小。

圖4（c）所示的環(huán)形掃描路徑中，在任一圓周的切矢量方向上，由于金屬熔池引起的收縮內(nèi)應(yīng)分散在圓弧路徑的方向上，相比逐行掃描方式，環(huán)形掃描方式的掃描長度在某一固定點(diǎn)切矢方向上的長度理論值為0，因此該方向上內(nèi)應(yīng)力小，收縮量小，可以提高熔化切片層輪廓的精度。

另一方面當(dāng)激光沿著一定的路徑進(jìn)行掃描熔化時(shí)，由于掃描路徑有一定寬度，不僅沿掃描路徑的平行方向上產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在垂直于掃描路徑方向也會(huì)有殘余應(yīng)力，當(dāng)沿圓周進(jìn)行掃描時(shí)，則此垂直于掃描路徑方向的殘余應(yīng)力指向圓心，稱此殘余應(yīng)力為彎曲應(yīng)力，描述公式為：

式中Vt表示在t時(shí)刻的掃描速度，rt表示t時(shí)刻掃描線半徑的大小，其余各參數(shù)與上式直線掃描公式中的相同。

如果指向掃描路徑圓心的彎曲應(yīng)力過大，則產(chǎn)生環(huán)形收縮，收縮量達(dá)到一定程度后就會(huì)出現(xiàn)環(huán)形翹曲，當(dāng)彎曲應(yīng)力引起的環(huán)形翹曲嚴(yán)重到一定程度時(shí)，可導(dǎo)致下一層不能均勻的進(jìn)行鋪粉，使加工不能進(jìn)行下去。

圖4（d）所示的分形掃描路徑中，沿掃描方向上的路徑較短，可以對(duì)下一次掃描的金屬粉未進(jìn)行較好的預(yù)熱，避免了在長路徑掃描中突然加熱形成的溫度梯度差；其次由于相鄰兩次掃描間隔時(shí)間較短，溫度衰減慢；再次，在分形掃描中，掃描路徑的切矢方向不斷變化，也就使得內(nèi)應(yīng)力的方向不斷變化，這也減少了朝某一方向的應(yīng)力集中，分形掃描在掃描區(qū)域形成較均勻的溫度分布同時(shí)也減小了內(nèi)應(yīng)力。

3.2 復(fù)合環(huán)形激光掃描在含有隨型水路模具SLM工藝中的應(yīng)用

如前所述，環(huán)形掃描存在向心方向的收縮應(yīng)力，當(dāng)向心應(yīng)力增加到一定程度時(shí)容易引起四周向中間凸起的翹曲變形，但是當(dāng)所熔結(jié)的金屬零件內(nèi)外都無懸垂結(jié)構(gòu)或者切面面積逐層減少，這樣的零件下一層切面始終在上一層切片上（即金屬零件上）熔化加工，那么環(huán)形收縮翹曲變形可以被上一層熔化后的切面所牽引住，可以抑制翹曲變形。

但是含有隨形水路的模具一般都具有復(fù)雜的內(nèi)型內(nèi)腔，在激光熔結(jié)成型中，當(dāng)加工到一些內(nèi)形內(nèi)腔時(shí)或懸垂部位時(shí)，不可避免的會(huì)出現(xiàn)下一層切面不在上一層切面上熔化即直接在粉床上熔化的情形，因而上一層切面無法牽引下一層的收縮翹曲，那么這種翹曲很容易引起零件的變形，繼而引起加工失敗。

按照常規(guī)的掃描策略，只在切片區(qū)域內(nèi)生成激光掃描路徑對(duì)粉床上切片區(qū)域內(nèi)的金屬粉未進(jìn)行激光熔結(jié)，如圖5（a）所示，而切片區(qū)域外的空心處激光不對(duì)粉床上的金屬粉未掃描，這種看似合理的方法引起零件變形甚至加工失敗的機(jī)率大增，針對(duì)這一問題，提出一種通過復(fù)合環(huán)形的掃描方式來抑制這種翹曲變形。

具體的熔化掃描路徑為：在生成零針對(duì)件切片區(qū)域內(nèi)的金屬粉未激光環(huán)形掃描路徑的同時(shí)，在非零件切片區(qū)域也以環(huán)形路徑連接，這個(gè)環(huán)形路徑在粉床區(qū)域而不是在成型零件上，在這部份路徑上掃描時(shí)由于不成型零件因此激光功率減少、掃描速度比成型零件時(shí)快很多，在粉床上以形成一個(gè)半熔化區(qū)域，這部分掃描路徑稱為預(yù)熱路徑。預(yù)熱路徑和熔化路徑在一個(gè)環(huán)中，當(dāng)處于切片區(qū)域的里面時(shí)為熔化路徑，其激光功率大、掃描速度慢，當(dāng)處于切片區(qū)域外時(shí)為預(yù)熱路徑，其激光功率小、掃描速度快。這種復(fù)合環(huán)形路徑可以同時(shí)熔化和預(yù)熱，粉床預(yù)熱后可以防止下一層的環(huán)形翹曲，使得加工可以順利進(jìn)行。

圖5 復(fù)合環(huán)形掃描路徑

對(duì)于適合于螺旋掃描的環(huán)狀類零件應(yīng)用復(fù)合環(huán)形掃描方式能達(dá)到相同的金屬零件致密度，復(fù)合環(huán)形掃描方式相比螺旋掃描方式計(jì)算時(shí)間短很多，因此環(huán)形掃描方式可以作為應(yīng)用螺旋掃描方式達(dá)到選擇性激光熔結(jié)致密度優(yōu)化的一種特殊的替代掃描方法。

在掃描零件某層面的過程中，對(duì)于切面采取由內(nèi)向外掃描或由外向內(nèi)掃描內(nèi)應(yīng)力的分布狀況及其引起的零件發(fā)生翹曲變形也不相同；在逐層熔化的過程中，由于對(duì)零件模型進(jìn)行切片時(shí)，前后兩層的高度差基本在0.1mm以下，若前后相鄰兩層的掃描方向和掃描方式相同，切片的掃描輪廓形狀很相似，因此容易導(dǎo)致前后相鄰兩層的掃描線的收縮應(yīng)力方向也一致，增大了熔化成形中零件的翹曲變形的可能性，因而相鄰兩層采用不同的掃描方向并且掃描方向按照奇偶層改變的方式即奇數(shù)層由外向內(nèi)、偶數(shù)層由內(nèi)向外復(fù)合環(huán)形掃描可以減少最終零件的翹曲變形。

3.3 SLM成型提高金屬致密度掃描策略

華南理工學(xué)研究發(fā)現(xiàn)采用層間錯(cuò)開掃描策略熔化后的金屬與上一層金能更好的潤濕，熔化的金屬液在重力作用下潤濕并填充上層金屬凹谷處，兩層之間的冶金結(jié)合更緊密，孔洞明顯減少，潤濕效果良好，得到了致密度近乎100%的SLM成型金屬制件。

4 結(jié)束語

CAD結(jié)合CAE較好的解決了模具復(fù)雜隨形水路的設(shè)計(jì)，SLM工藝解決了傳統(tǒng)機(jī)械加工難于加工模具內(nèi)部呈復(fù)雜空間曲線走勢(shì)之隨形水路這一技術(shù)難題；CAD結(jié)合CAE技術(shù)再加上SLM增材制造將模具設(shè)計(jì)與制造的信息化水平推向了新的階段、呈現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用價(jià)值及商業(yè)化應(yīng)用前景；SLM增材制造模具正在深刻而又革命性的改變著傳統(tǒng)機(jī)械制造，世界各國圍繞SLM工藝掃描的路徑優(yōu)化及策略、金屬粉未、支撐工藝、金屬致密度、激光器與激光、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等這些關(guān)鍵熱點(diǎn)問題持續(xù)深入的研究必將使得這項(xiàng)技術(shù)日臻成熟、成本不斷降低、離商業(yè)化應(yīng)用越來越密切。

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