基于SLM快速成型方法的注塑模具隨形冷卻水路關鍵技術研究

劉建元，閆麗靜，李 炳，高俊國

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

（廣東科技學院 機電工程系，東莞 523083）

0 引言

傳統模具冷卻水路主要采用鉆孔的常規加工方法，所以設計的注塑模具冷卻水路主要是直線型；水路還受到頂出系統、抽芯機構、鑲拼結構、骨位等的約束限制，因此模具本身的結構特征也嚴重的制約著冷卻水道的分布、大小和數量；通過實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塑料制品的冷卻效率、縮短成型周期、增加產能；另一方面還可達到更加均勻的冷卻效果以降低殘留應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，如圖1所示，用切片與計算機三維模型實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，逐步堆積成一個冶金結合、組織致密的金屬實體，在每一層截面中，系統在切面與零件實體相交的輪廓內生成激光熔化路徑以對金屬粉未進行熔化成型，激光不熔化粉床切片區域外的金屬粉未，當一個層面熔化成型完成后，工作臺即下降一個層厚的高度，下降高度在0.1毫米內，此時敷料輥又在已成形的上表面鋪上一層均勻密實的“粉末”，重復進行掃描熔化成型、直到完成整個零件的造型。

可以類比數控加工路徑來理解激光熔化掃描路徑，數控銑削加工中，數控加工路徑是用來切除毛坯比被加工（目標）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目標零件的分層激光熔化路徑對金屬粉未進行熔化來制造目標零件，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，任何帶有復雜的內型內腔的零件加工實際都變為一個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就是在金屬零件上加工復雜的內型內腔，而這是SLM的優勢所在。用SLM工藝制造注塑模具不受模具冷卻水路復雜程度的限制，這就讓工程師可以依據制品的幾何形狀設計更加科學合理的隨形冷卻水路，而不必擔心機械加工的限制，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，其內部含有較復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 隨形冷卻水路設計過程

1)設計隨形水路的有關計算理論

（1）冷卻時間計算

式中S為制品的最大厚度（mm）；k為塑件的熱擴散率（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系

（4）冷卻管道的傳熱面積

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

2)將UG設計的3D制品轉換成STL格式，導入Moldflow中，劃分并修改好網格，使網格狀態滿足合理的網格劃分要求以保證后續分析的正確性，根據計算理論，設計好模具的若干種隨形冷卻方案。

按照上述計算理論，根據具體的塑料件，結合實際的設計經驗，便可得到冷卻水路所需的各重要工藝參數，如平均冷卻時間，冷卻水體積流量，冷卻管直徑、冷卻水的流速、冷卻管道長度，這些參數是設計隨形冷卻水路的重要參數依據，根據設計經驗，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，對設計好的冷卻系統進行冷卻模擬及結果分析。

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

Moldflow通過制品、模具、冷卻系統間的傳熱分析，能將冷卻介質的溫度模擬分析、冷卻水流速分布、制品凝固成型時間模擬分析、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。

優化改進方案：由于冷卻水路是建立在相關理論及相關參數上進行設計的，通過模擬分析驗證水路能初步實現預期的冷卻效果，在幾個冷卻方案中選取最優方案，可對最優的冷卻水路進行必要的修改，使設計的水路完全滿足設定的冷卻參數。

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合模具實際加工制作情況確定最優的隨形水路，用UG等軟件在模具零件（模仁）上重新建構確定好的隨形水路，方法如下：

1）用UG等軟件的分模功能及零件建模功能設計出模仁等模具零件。

2）規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）根據模擬分析結果、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的點功能按坐標繪制水路所經過的空間各點，然后用光滑的樣條曲線將各點連接起來、此光滑的樣條曲線作為水路的軌跡。

（4）先確定水路經過的曲面，然后直接在此曲面內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，進行隨形水路系統的布爾運算，然后用模仁與水路系統進行布爾差運算，既可得到模仁或其它模具零件的真實的隨形水路。借助于UG等三維造型設計軟件很容易設計復雜的隨形水路，圖3為按上述過程用UG最后設計好的凹模仁的隨形水路。

圖3 通過CAE模擬并用UG設計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切片以熔化金屬粉未，由激光和振鏡組成的掃描系統要作大量的掃描，激光掃描路徑類似于數控加工中的刀具路徑，選擇恰當的激光掃描路徑對SLM成型至關重要。科學、合理、精準、高效的激光熔化軌跡，不僅可以提高設備的制造效率、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、減少加工失敗的機率、減輕零件后處理工作多從而提升SLM的成型的技術經濟價值。

在金屬的SLM工藝中，不同的激光燒結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成型產品的尺寸精度另一方面也是產品發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

對于圖4(a)及圖4(b)所示的掃描路徑，在平行于掃描方向會產生拉伸應力，拉伸應力的定量描述公式為：式中表示沿掃描方向在t時刻的掃描速度，T表示從掃描開始到掃描到當前位置所經歷的時間，D表示掃描路徑的平均熔化寬度，H表示燒結熔化層厚度，C表示金屬粉未熱傳導率，K為系數。

據上述公式可知：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，因此內應力較小，發生翹曲變形量也較小。

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

另一方面當激光沿著一定的路徑進行掃描熔化時，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生殘余應力，在垂直于掃描路徑方向也會有殘余應力，當沿圓周進行掃描時，則此垂直于掃描路徑方向的殘余應力指向圓心，稱此殘余應力為彎曲應力，描述公式為：

式中Vt表示在t時刻的掃描速度，rt表示t時刻掃描線半徑的大小，其余各參數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力過大，則產生環形收縮，收縮量達到一定程度后就會出現環形翹曲，當彎曲應力引起的環形翹曲嚴重到一定程度時，可導致下一層不能均勻的進行鋪粉，使加工不能進行下去。

圖4（d）所示的分形掃描路徑中，沿掃描方向上的路徑較短，可以對下一次掃描的金屬粉未進行較好的預熱，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，也就使得內應力的方向不斷變化，這也減少了朝某一方向的應力集中，分形掃描在掃描區域形成較均勻的溫度分布同時也減小了內應力。

3.2 復合環形激光掃描在含有隨型水路模具SLM工藝中的應用

如前所述，環形掃描存在向心方向的收縮應力，當向心應力增加到一定程度時容易引起四周向中間凸起的翹曲變形，但是當所熔結的金屬零件內外都無懸垂結構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雜的內型內腔，在激光熔結成型中，當加工到一些內形內腔時或懸垂部位時，不可避免的會出現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。

按照常規的掃描策略，只在切片區域內生成激光掃描路徑對粉床上切片區域內的金屬粉未進行激光熔結，如圖5（a）所示，而切片區域外的空心處激光不對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率大增，針對這一問題，提出一種通過復合環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：在生成零針對件切片區域內的金屬粉未激光環形掃描路徑的同時，在非零件切片區域也以環形路徑連接，這個環形路徑在粉床區域而不是在成型零件上，在這部份路徑上掃描時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快很多，在粉床上以形成一個半熔化區域，這部分掃描路徑稱為預熱路徑。預熱路徑和熔化路徑在一個環中，當處于切片區域的里面時為熔化路徑，其激光功率大、掃描速度慢，當處于切片區域外時為預熱路徑，其激光功率小、掃描速度快。這種復合環形路徑可以同時熔化和預熱，粉床預熱后可以防止下一層的環形翹曲，使得加工可以順利進行。

圖5 復合環形掃描路徑

對于適合于螺旋掃描的環狀類零件應用復合環形掃描方式能達到相同的金屬零件致密度，復合環形掃描方式相比螺旋掃描方式計算時間短很多，因此環形掃描方式可以作為應用螺旋掃描方式達到選擇性激光熔結致密度優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，對于切面采取由內向外掃描或由外向內掃描內應力的分布狀況及其引起的零件發生翹曲變形也不相同；在逐層熔化的過程中，由于對零件模型進行切片時，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，因此容易導致前后相鄰兩層的掃描線的收縮應力方向也一致，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層由外向內、偶數層由內向外復合環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

華南理工學研究發現采用層間錯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 結束語

CAD結合CAE較好的解決了模具復雜隨形水路的設計，SLM工藝解決了傳統機械加工難于加工模具內部呈復雜空間曲線走勢之隨形水路這一技術難題；CAD結合CAE技術再加上SLM增材制造將模具設計與制造的信息化水平推向了新的階段、呈現出十分廣闊的應用價值及商業化應用前景；SLM增材制造模具正在深刻而又革命性的改變著傳統機械制造，世界各國圍繞SLM工藝掃描的路徑優化及策略、金屬粉未、支撐工藝、金屬致密度、激光器與激光、產業化應用等這些關鍵熱點問題持續深入的研究必將使得這項技術日臻成熟、成本不斷降低、離商業化應用越來越密切。

[1]劉鵬,劉洪,李亞敏.MPI環境下注塑模隨形冷卻水道的設計與分析[J].新技術新工藝,2009(8):111-112.

[2]史玉升,伍志,魏青松,黃樹槐.隨形冷卻對注塑成型和生產效率的影響[J].華中科技大學學報,2007(3):60-61.

[3]錢波.快速成型制關鍵工藝的研究[D].武漢:華中科技大學,2009:37-75.

[4]程艷階,史玉升,蔡道生,黃樹槐.選擇性激光燒結復合掃描路徑的規劃與實現[J].機械科學與技術,2004(9).

[5]楊永強,劉洋,宋長輝.金屬零件3D打印技術現狀及研究進展[J].機電工程技術,2013(4):1-5.