3D打印隨形冷卻模具零件的溫度場和應(yīng)力場數(shù)值模擬＊

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）

1 引言

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。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，對于一些具有復(fù)雜型腔和成型質(zhì)量要求較高的模具，運用SLM技術(shù)制造模具零件具有顯著的優(yōu)勢。

國內(nèi)外學(xué)者對3D打印隨形冷卻模具技術(shù)進行了很多研究。白玉超研究了18Ni300馬氏體時效鋼模具的SLM 打印[5]，認為冷卻水路縱截面與鋪粉方向夾角的大小對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，使成型冷卻時間大幅減少。陳根余等研究了激光掃描輪廓參數(shù)對SLM 打印隨形冷卻模具的影響[7]，重復(fù)掃描次數(shù)過多或過少均會導(dǎo)致零件表面粗糙度增大，致密度減小，過大的輪廓掃描偏移量會降低零件的表面質(zhì)量。Marin F等對SLM打印CX不銹鋼嫁接模具的組織及力學(xué)性能進行了研究[8]，嫁接接觸面附近孔隙較少，無裂紋，隨著打印高度的增加，孔隙數(shù)量略有增加，嫁接模具的抗拉強度與硬度都有一定下降。徐華鵬對SLM 打印多孔結(jié)構(gòu)隨形冷卻模具進行了研究[9]，認為具有多孔結(jié)構(gòu)的模具彈性模量高，抗壓強度大，成型制品達到熱平衡的時間相比于傳統(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)于打印過程中的熱積累對模具零件質(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象，研究3D 打印過程中的熱量積累對其溫度場和應(yīng)力場的影響，以選擇合適的打印工藝，提高模具零件的3D打印質(zhì)量。

2 模具零件設(shè)計要求及打印方案

3D打印零件為一帶有隨形冷卻水路的注塑模具鑲件，設(shè)計尺寸如圖1所示。零件呈階梯狀，內(nèi)部設(shè)計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馬氏體時效鋼。

圖1 隨形冷卻模具零件設(shè)計尺寸

采用SLM技術(shù)打印零件過程中，隨著打印高度的增大，零件下部保留的熱量增加，散熱的速率會越來越小，導(dǎo)致熱量在打印零件內(nèi)大量積累，這種熱積累對零件的打印質(zhì)量會造成不利的影響。因此，需要通過打印過程的模擬選擇合適的打印工藝，以減小熱積累的影響。

3 3D打印過程溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬

本研究是在基板預(yù)熱和未預(yù)熱兩種條件下，數(shù)值模擬打印過程的溫度場和應(yīng)力場，以及熱循環(huán)曲線和應(yīng)力變化曲線等結(jié)果，以分析熱積累對零件打印過程的影響。

3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)模具零件的結(jié)構(gòu)，采用Creo 6.0軟件進行三維建模。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，四面體邊長為2mm。網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

3.2 打印材料物性

通過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)

3.3 打印工藝參數(shù)

模擬采用的打印工藝參數(shù)如表2所示，其中層間冷卻時間是指零件在連續(xù)打印兩層時中間停留的時間。

表2 打印工藝參數(shù)

3.4 溫度場模擬分析

模擬軟件采用ANSYS Workbench Additive。在基板未預(yù)熱條件下，溫度場模擬的換熱系數(shù)取20。在基板預(yù)熱150℃條件下[10～11]，通過加大冷卻，打印層表面對流換熱增強，換熱系數(shù)取120。

3.4.1 不同高度的溫度場云圖

通過數(shù)值模擬得到不同高度打印層冷卻后的溫度場云圖如圖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，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，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，最高溫度較未預(yù)熱時降低了145.73℃，最大溫度差較未預(yù)熱時降低了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，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，在不同截面積的過渡處打印層溫度有所下降?；孱A(yù)熱150℃時，打印層溫度上升速率減緩，冷卻速率更快，有利于晶粒細化[12]，強化模具零件性能。

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

為了對比熱歷程差異，數(shù)值模擬得到了不同高度打印層中心點的熱循環(huán)曲線如圖6所示。各打印層中心點的溫度曲線都經(jīng)歷了多次波動，表明后續(xù)各層的打印過程都會影響當前打印層的熱循環(huán)?；逦搭A(yù)熱時，22mm 高處打印層中心點的后續(xù)波峰溫度相對較高，原因是零件的水平孔下方無實體支撐，阻礙了熱量向下傳導(dǎo)，熱量不易擴散。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，由于零件的整體溫度升高，導(dǎo)致2mm高處打印層中心點的初始熱循環(huán)溫度增大，而冷卻速率的加快使后續(xù)打印層對該層的熱影響減小，導(dǎo)致其溫度波動幅度減小。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的熱循環(huán)曲線

3.5 應(yīng)力場模擬分析

將溫度場模擬結(jié)果作為載荷加載到各節(jié)點進行應(yīng)力場模擬，以分析不同打印條件下模具零件應(yīng)力場的差異。

3.5.1 不同高度的熱應(yīng)力場云圖

通過數(shù)值模擬得到不同高度打印層冷卻后的熱應(yīng)力場云圖如圖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。這是由于在打印過程中，激光會再次加熱先前打印層，相當于對其進行熱處理，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。基板預(yù)熱150℃時，零件的高應(yīng)力區(qū)域相比未預(yù)熱時減小，打印高度為50mm 時尤為明顯，這是因為冷卻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的分布，降低打印過程中的溫度梯度，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打印層中心點的應(yīng)力變化曲線如圖9所示。激光移動到該點時熱應(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，該位置的熱循環(huán)溫度較高，零件的塑性變形進一步增大，因而冷卻收縮后熱應(yīng)力較大?；孱A(yù)熱150℃時，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)束時增大很多，呈拉應(yīng)力狀態(tài)，這是由于剛打印結(jié)束時零件仍有很高的溫度，熱應(yīng)力在不斷變化，且在冷卻過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，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，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)熱時明顯減小，減小了模具零件出現(xiàn)變形、開裂等問題的可能性。

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，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?；孱A(yù)熱150℃時，零件發(fā)生變形的位置以及變形值都有明顯的變化，零件整體變形相對更小，最大變形量比未預(yù)熱時減小了0.12mm。

圖13 打印零件變形云圖

4 隨形冷卻模具零件3D打印結(jié)果

根據(jù)設(shè)計要求，采用廣東漢邦激光科技有限公司的HBD-280打印機，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，說明基板預(yù)熱減小了熱積累效應(yīng)對打印過程的影響。

圖14 3D打印的隨形冷卻模具零件

4.1 打印零件的表面質(zhì)量

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?；孱A(yù)熱150℃時的輪廓掛渣相對較少，外圓表面質(zhì)量更好。這是由于在基板未預(yù)熱的條件下，熱積累嚴重，打印層溫度很高，粉末容易出現(xiàn)過熔現(xiàn)象，導(dǎo)致外圓附近的粉末燒結(jié)在輪廓周圍，同時過高的溫度也會使打印過程的飛濺增多[13]，故表面掛渣較多?；孱A(yù)熱150℃時，冷卻速率加快，打印層溫度降低，粉末過熔與飛濺現(xiàn)象減少，因而掛渣較少。

圖15 基板未預(yù)熱的外圓輪廓

4.2 打印零件的尺寸偏差

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?；孱A(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，液相存在的時間延長，液態(tài)金屬凝固時容易向粉末區(qū)蔓延，因而尺寸偏差較大。基板預(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

4.3 打印零件的硬度

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?；孱A(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)溫度會導(dǎo)致晶粒的粗化，增加了組織中奧氏體的含量[14～15]，同時，零件內(nèi)部存在較高的殘余拉應(yīng)力[16]，因而硬度值偏小?；孱A(yù)熱150℃時，打印層表面對流散熱增加，熱循環(huán)溫度降低，釋放了部分應(yīng)力，同時有利于晶粒細化，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

5 結(jié)論

針對3D 打印隨形冷卻模具零件的熱積累現(xiàn)象，對基板未預(yù)熱和預(yù)熱150℃兩種條件下打印零件的溫度場、應(yīng)力場及打印結(jié)果進行了模擬分析和實驗。得出結(jié)論如下：

（1）在基板未預(yù)熱條件下，由于打印過程的層間溫差大、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，打印過程的熱傳導(dǎo)減緩，打印零件溫度分布相對均勻，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。