基于SLM 技術(shù)隨形冷卻水道的設(shè)計與制造＊

劉偉潮，董藝，劉莎，莫永康，胡煒烽，文星

（廣州城市理工學(xué)院機械工程學(xué)院，廣東 廣州 510000）

模具素有“工業(yè)之母”的美稱，在制造行業(yè)中具有極其重要的地位。80%以上塑料制品是由模具成型制造出來的[1]，注塑成型主要包括注塑、保壓、冷卻、脫模等階段，其中成型周期中約有75%的時間是塑件的冷卻時間。隨著中國實體制造經(jīng)濟的不斷發(fā)展，消費者的需求不斷細化，要求產(chǎn)品個性化。在這種大環(huán)境下，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度比以前更快，企業(yè)以及其他生產(chǎn)者的商業(yè)嗅覺要求更加靈敏，商業(yè)模式更加靈活。傳統(tǒng)模具的制造和使用成本與市場要求產(chǎn)品復(fù)雜，小批量、個性化制造形成矛盾。解決矛盾的方法在與在模具制造中應(yīng)用SLM 金屬快速成型制造技術(shù)，從而在低成本、個性化和小批量制造中減輕生產(chǎn)者負擔，同時通過快速成型制造，優(yōu)化模具設(shè)計與制造，通過隨形冷卻水道的制造，解決傳統(tǒng)模具中具有較深內(nèi)腔注塑產(chǎn)品冷卻不均、翹曲、冷卻時間長等問題，縮短生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率。但部分塑件具有較深的內(nèi)腔與較大長徑比。此類塑件的內(nèi)腔一般采用模具鑲件成型。在成型過程中，由于鑲件被高溫熔體包裹，如果鑲件冷卻條件較差，將會直接影響塑件的成型質(zhì)量。鑲件一般采用切削加工和電加工方法制造，這會導(dǎo)致細長類鑲件內(nèi)部的復(fù)雜水道無法加工。

近年來，可用于直接制造金屬功能零件的金屬3D打印方法成為國內(nèi)外的研究熱點，其中有激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束選區(qū)熔化（EBSM）、激光近凈成型（LENS）等[2]。在模具制造領(lǐng)域，針對SLM 技術(shù)的研究較少，尤其是鑲件材料采用H13 鋼的相關(guān)研究就更少了。

本文選擇H13 鋼作為SLM 成形材料，通過UG 以及Moldflow 設(shè)計出具有長徑比大于3.5 的隨形冷卻水道的鑲件，為H13模具鋼SLM制造提供科學(xué)有效的支持。

1 塑件簡介與模流分析

1.1 塑件簡介

塑件形狀如圖1 所示，深度為112 mm，外徑大小為21 mm，長徑比為5.334，塑件選用的是流動性較好的聚丙烯（PP）材料，受熱變形溫度較高，但是聚丙烯的收縮比較大，一般為0.8%～2.5%，對冷卻的要求較高。鑲件的冷卻方式、排列方式、澆口位置以及脫模機構(gòu)都會對塑件產(chǎn)生直接的影響。通過使用UG 建模工具，建立塑件3D 模型。

圖1 塑件隨形水道設(shè)計（單位：mm）

1.2 注塑工藝設(shè)置以及Moldflow 模流分析

在使用Moldflow 分析前，根據(jù)聚丙烯（PP）的材料特點設(shè)置注塑工藝參數(shù)設(shè)定，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 Moldflow 分析時的注塑工藝參數(shù)

通過Moldflow 進行模流分析，針筒塑件在傳統(tǒng)冷卻水道與采用隨形冷卻水道在塑件達到頂出溫度時間的對比如圖2 所示，回路熱去除效率的對比如圖3 所示。

圖2 塑件達到頂出溫度時間對比

圖3 回路熱去除效率對比

結(jié)果表明，通過隨形冷卻水道優(yōu)化鑲件的冷卻系統(tǒng)，比傳統(tǒng)冷卻水道鑲件塑件達到頂出溫度的時間從傳統(tǒng)冷卻水道17.28 s 降為14.62 s；回路熱去除效率也有大幅度提升；使用相同的澆注系統(tǒng)，填充時間降為1.185 s，填充平穩(wěn)。雖然會使?jié)沧⒏浇募羟辛ψ兇?，剪切速率升高，但不會引起材料裂解?dǎo)致塑件產(chǎn)品缺陷。

通過Moldflow 模流分析對比發(fā)現(xiàn)，隨形冷卻水道方案塑件制品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率要優(yōu)于傳統(tǒng)冷卻水道。隨形冷卻水道可以大大改善深筒形塑件的翹曲變形，提高大長徑比深筒形塑件質(zhì)量。

2 鑲件設(shè)計與制造過程

鑲件用以形成上述針筒零件的內(nèi)腔，決定著塑件內(nèi)部的幾何尺寸與形狀。

2.1 鑲件設(shè)計

鑲件隨形水道設(shè)計如圖4 所示。由于塑件內(nèi)腔狹小，傳統(tǒng)冷卻水道難以深入鑲件內(nèi)部為塑件有效帶走熱量，本文隨形冷卻水道采用螺旋式設(shè)計，使冷卻水流速減緩，有效吸收熱量；縮短了成形時間，提高了成形效率，避免翹邊，使塑件注塑材料均勻。

圖4 鑲件隨形水道設(shè)計

鑲件直徑為20 mm，高度為112 mm。在鑲件內(nèi)部排布有直徑為4 mm 的隨形冷卻水道，鑲件表面距離隨形冷卻水道的距離為4 mm，這樣可以有效帶走鑲件的熱量，同時保證鑲件的耐用與可靠性。

2.2 成形材料

傳統(tǒng)H13 鋼制造模具的方法是通過對毛坯進行切削加工的方法，SLM 成形則是使氣霧化制備的H13 鋼的金屬粉末熔化，通過逐層掃描，層層堆積實現(xiàn)冶金結(jié)合的制造方法。

通過SLM成形鑲件所用的成形材料是H13鋼金屬粉末，粉末具體的合金成分如表2 所示。

表2 H13 鋼粉末的化學(xué)成分（單位：%）

2.3 制造過程

SLM 成形過程中需要考慮許多因素對成形鑲件表面質(zhì)量的影響，例如激光功率、掃描速度、掃描間距、掃描方式、掃描路徑[3]、鋪粉層厚等。鑲件制造方案如表3 所示。鋪粉厚度為50 μm，掃描策略采取S 形掃，采用高純氬氣作為打印保護氣體。

表3 激光參數(shù)設(shè)定

3 成形結(jié)果與表面質(zhì)量分析

3.1 成形結(jié)果

采用上表激光參數(shù)進行SLM 技術(shù)成形，發(fā)現(xiàn)激光照射平面并不平整，尺寸精度偏差太大，無法達到工業(yè)應(yīng)用要求。同時通過Magics 對鑲件模型進行重新處理與參數(shù)調(diào)整[4]，發(fā)現(xiàn)成形質(zhì)量可以通過增大激光功率、降低掃描速度與增大掃描間距改善。

3.2 表面質(zhì)量分析

表面粗糙度可以直觀表現(xiàn)SLM 成形的表面質(zhì)量[5]。通過觀察SLM 制造的H13 鋼鑲件的表面，表面粗糙度大，熔池明顯高于水平面，出現(xiàn)短波浪狀表面，最后制作的表面呈現(xiàn)出無規(guī)則的溝壑狀。這是由于SLM 成形過程中，激光掃描時傳遞給H13 鋼粉末的熱量過少或者掃描速度過快，導(dǎo)致部分H13 鋼粉末未熔化，此時不同層之間的結(jié)合能力較差，使搭接區(qū)的表面質(zhì)量下降，導(dǎo)致鑲件的總體表面粗糙度增大。

H13 鋼金屬粉末在SLM 成形過程中鑲件翹曲變形現(xiàn)象十分明顯。SLM 成形的層數(shù)不斷增加，在鑲件內(nèi)部的熱應(yīng)力會逐漸累積，當殘余應(yīng)力達到H13 鋼最大的屈服強度時會發(fā)生翹曲變形。這是在過快的掃描速度與較小的掃描間距條件下，局部熱輸入造成不均勻的溫度場，使成形材料產(chǎn)生極大的溫度梯度，快速熱量輸入到熔池與周圍的成形材料中，形成高達108 K/s的溫度梯度[6]，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，并且高溫會使H13 鋼的屈服強度降低，使鑲件與基板產(chǎn)生開裂，導(dǎo)致成形失效。

H13 鋼金屬粉末在進行SLM 成形過程中掃描速度對鑲件的影響最大，其次是激光功率與掃描間距。通過對成形失效原因的分析，最終確定最佳成形工藝參數(shù)區(qū)間為：激光功率250～260 W、掃描速度800～830 mm/s、掃描間距在95～100 μm。表面質(zhì)量明顯改善。

4 結(jié)論

本文主要通過對基于SLM成形H13模具鋼的工藝參數(shù)分析與研究，設(shè)計一個具有隨形冷卻水道的注塑模鑲件。通過Moldflow 與Magics 對鑲件的隨形冷卻水道進行優(yōu)化與處理，并通過SLM 成形把鑲件制造出來。結(jié)論如下：①通過Moldflow 模流分析得出，具有大長徑比與較深內(nèi)腔的塑件在注塑過程中采用具有隨形冷卻水道的鑲件比采取傳統(tǒng)冷卻水道的鑲件具有冷卻時間短、冷卻均勻等優(yōu)勢，具有較高的表面質(zhì)量。②H13 鋼金屬粉末在進行SLM 成形過程中掃描速度對鑲件的影響最大，其次是激光功率與掃描間距。通過對成形失效原因的分析，最終確定了最佳成形工藝參數(shù)區(qū)間，激光功率在250～260 W、掃描速度在800～830 mm/s、掃描間距在95～100 μm。