基于SLM快速成型方法的注塑模具随形冷却水路关键技术研究

刘建元，闫丽静，李 炳，高俊国

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

（广东科技学院 机电工程系，东莞 523083）

0 引言

传统模具冷却水路主要采用钻孔的常规加工方法，所以设计的注塑模具冷却水路主要是直线型；水路还受到顶出系统、抽芯机构、镶拼结构、骨位等的约束限制，因此模具本身的结构特征也严重的制约着冷却水道的分布、大小和数量；通过实践及理论研究并借助模流分析软件的仿真模拟表明更贴近塑料件形状的随形水路一方面可以大幅提升对塑料制品的冷却效率、缩短成型周期、增加产能；另一方面还可达到更加均匀的冷却效果以降低残留应力从而减少塑件的变形。

选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）加工采用分层制造技术，如图1所示，用切片与计算机三维模型实体相交的轮廓信息控制激光束按一定的扫描路径选择性的熔化各层金属粉未，逐步堆积成一个冶金结合、组织致密的金属实体，在每一层截面中，系统在切面与零件实体相交的轮廓内生成激光熔化路径以对金属粉未进行熔化成型，激光不熔化粉床切片区域外的金属粉未，当一个层面熔化成型完成后，工作台即下降一个层厚的高度，下降高度在0.1毫米内，此时敷料辊又在已成形的上表面铺上一层均匀密实的“粉末”，重复进行扫描熔化成型、直到完成整个零件的造型。

可以类比数控加工路径来理解激光熔化扫描路径，数控铣削加工中，数控加工路径是用来切除毛坯比被加工（目标）零件多出的那部份工件体积，是通过减材料来制造零件；而选择性激光熔化是利用直接针对目标零件的分层激光熔化路径对金属粉未进行熔化来制造目标零件，是增材料加工。

图1 选择性激光熔化（SLM）成型工作原理图

由SLM的原理可知，任何带有复杂的内型内腔的零件加工实际都变为一个平面的二维激光扫描熔化金属粉未的过程，用SLM工艺加工模具的随形冷却水路本质就是在金属零件上加工复杂的内型内腔，而这是SLM的优势所在。用SLM工艺制造注塑模具不受模具冷却水路复杂程度的限制，这就让工程师可以依据制品的几何形状设计更加科学合理的随形冷却水路，而不必担心机械加工的限制，如图2（a）及图2（b）所示的随形冷却水路模具均可采用SLM工艺成型，图2(c)是SLM工艺成型的随形水路模具，其内部含有较复杂空间分布的随形水路。

图2 SLM成型带有随形水路的模具零件

1 随形冷却水路设计过程

1)设计随形水路的有关计算理论

（1）冷却时间计算

式中S为制品的最大厚度（mm）；k为塑件的热扩散率（mm2/s）；t0为塑件熔体的注射温度(℃)；tw为模具温度(℃)；t2为制品截面内的平均脱模温度(℃)。

（2）模具冷却所需的水流量q

（3）冷却水的流速与流量的关系

（4）冷却管道的传热面积

上述关系式中：Δt为模温与冷却介质的平均温差，h为冷却管壁与冷确介质的换热系数，λ为冷却介质的导热率，u为冷却介质的粘度。

2)将UG设计的3D制品转换成STL格式，导入Moldflow中，划分并修改好网格，使网格状态满足合理的网格划分要求以保证后续分析的正确性，根据计算理论，设计好模具的若干种随形冷却方案。

按照上述计算理论，根据具体的塑料件，结合实际的设计经验，便可得到冷却水路所需的各重要工艺参数，如平均冷却时间，冷却水体积流量，冷却管直径、冷却水的流速、冷却管道长度，这些参数是设计随形冷却水路的重要参数依据，根据设计经验，水孔中心距取水孔直径的3～5倍。

3）拟定随形冷却工艺条件，对设计好的冷却系统进行冷却模拟及结果分析。

如某制品的冷却工艺条件为：材料选用APIC15的聚丙烯（PP），工艺参数为：熔体温度为220℃，型腔温度为35℃，冷却介质为水，温度为25℃，入口雷诺数为10000，整个注塑成型周期为34S，其中注射、保压及冷却时间为29S，用于顶出的时间为5S。

Moldflow通过制品、模具、冷却系统间的传热分析，能将冷却介质的温度模拟分析、冷却水流速分布、制品凝固成型时间模拟分析、型腔的表面温度分布模拟、泠却管路温度分布等直观的展示给用户。

优化改进方案：由于冷却水路是建立在相关理论及相关参数上进行设计的，通过模拟分析验证水路能初步实现预期的冷却效果，在几个冷却方案中选取最优方案，可对最优的冷却水路进行必要的修改，使设计的水路完全满足设定的冷却参数。

2 用UG等三维造型软件绘制模具零件的随形水路

在Moldflow中通过模拟分析并结合模具实际加工制作情况确定最优的随形水路，用UG等软件在模具零件（模仁）上重新建构确定好的随形水路，方法如下：

1）用UG等软件的分模功能及零件建模功能设计出模仁等模具零件。

2）规划出水道中心线的轨迹，确定轨迹线大至有如下方法可资参考：

（1）根据模拟分析结果、直接用曲线或草图描述水路中心轨迹线。

（2）用曲线投影线描述水路轨迹。

（3）先用UG的点功能按坐标绘制水路所经过的空间各点，然后用光滑的样条曲线将各点连接起来、此光滑的样条曲线作为水路的轨迹。

（4）先确定水路经过的曲面，然后直接在此曲面内绘制光滑的样条曲线。

（5）用管体、扫描等造型命令绘制所有的水路系统，进行随形水路系统的布尔运算，然后用模仁与水路系统进行布尔差运算，既可得到模仁或其它模具零件的真实的随形水路。借助于UG等三维造型设计软件很容易设计复杂的随形水路，图3为按上述过程用UG最后设计好的凹模仁的随形水路。

图3 通过CAE模拟并用UG设计带有随形水路的冲电器凹模

3 采用SLM工艺成型带有随形水路的激光扫描路径及策略

3.1 SLM扫描路径及其成型工艺性比较分析

SLM工艺要使用激光扫描线填充每个切片以熔化金属粉未，由激光和振镜组成的扫描系统要作大量的扫描，激光扫描路径类似于数控加工中的刀具路径，选择恰当的激光扫描路径对SLM成型至关重要。科学、合理、精准、高效的激光熔化轨迹，不仅可以提高设备的制造效率、延长使用寿命，还能大幅提高零件的加工精度、表面的光洁度、零件致密度；减小翘曲变形、减少加工失败的机率、减轻零件后处理工作多从而提升SLM的成型的技术经济价值。

在金属的SLM工艺中，不同的激光烧结扫描方式在不同方向上的扫描线长度不同，引起矢量方向上熔化后零件的膨胀和收缩变化量也不同，这种不同的变化量一方面影响了最终烧结成型产品的尺寸精度另一方面也是产品发生翘曲变形的重要原因。

图4 选择性激光熔化常见扫描路径

对于图4(a)及图4(b)所示的扫描路径，在平行于扫描方向会产生拉伸应力，拉伸应力的定量描述公式为：式中表示沿扫描方向在t时刻的扫描速度，T表示从扫描开始到扫描到当前位置所经历的时间，D表示扫描路径的平均熔化宽度，H表示烧结熔化层厚度，C表示金属粉未热传导率，K为系数。

据上述公式可知：在图4（a）及图4（b）的扫描方式中，在水平方向上，路径沿激光束矢量方向上的长度最长，其膨胀和收缩量最大，因而扫描过程中沿水平方向拉伸应力也最大；图4（a）及图4（b）中在垂直于扫描路径的竖直方向扫描路径较短，因此内应力较小，发生翘曲变形量也较小。

图4（c）所示的环形扫描路径中，在任一圆周的切矢量方向上，由于金属熔池引起的收缩内应分散在圆弧路径的方向上，相比逐行扫描方式，环形扫描方式的扫描长度在某一固定点切矢方向上的长度理论值为0，因此该方向上内应力小，收缩量小，可以提高熔化切片层轮廓的精度。

另一方面当激光沿着一定的路径进行扫描熔化时，由于扫描路径有一定宽度，不仅沿扫描路径的平行方向上产生残余应力，在垂直于扫描路径方向也会有残余应力，当沿圆周进行扫描时，则此垂直于扫描路径方向的残余应力指向圆心，称此残余应力为弯曲应力，描述公式为：

式中Vt表示在t时刻的扫描速度，rt表示t时刻扫描线半径的大小，其余各参数与上式直线扫描公式中的相同。

如果指向扫描路径圆心的弯曲应力过大，则产生环形收缩，收缩量达到一定程度后就会出现环形翘曲，当弯曲应力引起的环形翘曲严重到一定程度时，可导致下一层不能均匀的进行铺粉，使加工不能进行下去。

图4（d）所示的分形扫描路径中，沿扫描方向上的路径较短，可以对下一次扫描的金属粉未进行较好的预热，避免了在长路径扫描中突然加热形成的温度梯度差；其次由于相邻两次扫描间隔时间较短，温度衰减慢；再次，在分形扫描中，扫描路径的切矢方向不断变化，也就使得内应力的方向不断变化，这也减少了朝某一方向的应力集中，分形扫描在扫描区域形成较均匀的温度分布同时也减小了内应力。

3.2 复合环形激光扫描在含有随型水路模具SLM工艺中的应用

如前所述，环形扫描存在向心方向的收缩应力，当向心应力增加到一定程度时容易引起四周向中间凸起的翘曲变形，但是当所熔结的金属零件内外都无悬垂结构或者切面面积逐层减少，这样的零件下一层切面始终在上一层切片上（即金属零件上）熔化加工，那么环形收缩翘曲变形可以被上一层熔化后的切面所牵引住，可以抑制翘曲变形。

但是含有随形水路的模具一般都具有复杂的内型内腔，在激光熔结成型中，当加工到一些内形内腔时或悬垂部位时，不可避免的会出现下一层切面不在上一层切面上熔化即直接在粉床上熔化的情形，因而上一层切面无法牵引下一层的收缩翘曲，那么这种翘曲很容易引起零件的变形，继而引起加工失败。

按照常规的扫描策略，只在切片区域内生成激光扫描路径对粉床上切片区域内的金属粉未进行激光熔结，如图5（a）所示，而切片区域外的空心处激光不对粉床上的金属粉未扫描，这种看似合理的方法引起零件变形甚至加工失败的机率大增，针对这一问题，提出一种通过复合环形的扫描方式来抑制这种翘曲变形。

具体的熔化扫描路径为：在生成零针对件切片区域内的金属粉未激光环形扫描路径的同时，在非零件切片区域也以环形路径连接，这个环形路径在粉床区域而不是在成型零件上，在这部份路径上扫描时由于不成型零件因此激光功率减少、扫描速度比成型零件时快很多，在粉床上以形成一个半熔化区域，这部分扫描路径称为预热路径。预热路径和熔化路径在一个环中，当处于切片区域的里面时为熔化路径，其激光功率大、扫描速度慢，当处于切片区域外时为预热路径，其激光功率小、扫描速度快。这种复合环形路径可以同时熔化和预热，粉床预热后可以防止下一层的环形翘曲，使得加工可以顺利进行。

图5 复合环形扫描路径

对于适合于螺旋扫描的环状类零件应用复合环形扫描方式能达到相同的金属零件致密度，复合环形扫描方式相比螺旋扫描方式计算时间短很多，因此环形扫描方式可以作为应用螺旋扫描方式达到选择性激光熔结致密度优化的一种特殊的替代扫描方法。

在扫描零件某层面的过程中，对于切面采取由内向外扫描或由外向内扫描内应力的分布状况及其引起的零件发生翘曲变形也不相同；在逐层熔化的过程中，由于对零件模型进行切片时，前后两层的高度差基本在0.1mm以下，若前后相邻两层的扫描方向和扫描方式相同，切片的扫描轮廓形状很相似，因此容易导致前后相邻两层的扫描线的收缩应力方向也一致，增大了熔化成形中零件的翘曲变形的可能性，因而相邻两层采用不同的扫描方向并且扫描方向按照奇偶层改变的方式即奇数层由外向内、偶数层由内向外复合环形扫描可以减少最终零件的翘曲变形。

3.3 SLM成型提高金属致密度扫描策略

华南理工学研究发现采用层间错开扫描策略熔化后的金属与上一层金能更好的润湿，熔化的金属液在重力作用下润湿并填充上层金属凹谷处，两层之间的冶金结合更紧密，孔洞明显减少，润湿效果良好，得到了致密度近乎100%的SLM成型金属制件。

4 结束语

CAD结合CAE较好的解决了模具复杂随形水路的设计，SLM工艺解决了传统机械加工难于加工模具内部呈复杂空间曲线走势之随形水路这一技术难题；CAD结合CAE技术再加上SLM增材制造将模具设计与制造的信息化水平推向了新的阶段、呈现出十分广阔的应用价值及商业化应用前景；SLM增材制造模具正在深刻而又革命性的改变着传统机械制造，世界各国围绕SLM工艺扫描的路径优化及策略、金属粉未、支撑工艺、金属致密度、激光器与激光、产业化应用等这些关键热点问题持续深入的研究必将使得这项技术日臻成熟、成本不断降低、离商业化应用越来越密切。

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