SLM技术在电路板外壳随形冷却模具上的应用

汪祥 张永仁 张达 王新坤 闫建姬

（岚图汽车科技有限公司，武汉 430058）

1 前言

选择性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）技术是3D 打印工艺中的一种，采用红外波段的激光源，根据零件截面的几何形状逐层扫描金属粉体材料，使粉体颗粒受热、熔融，彼此粘接形成三维实体，用它能直接成型出接近完全致密度的金属零件。随着材料种类的增加和材料性能的提升，SLM 技术在工程中应用越来越广泛。

注塑成型过程中，冷却所占比例约为成型周期的60%，冷却周期很大程度上直接影响到生产周期。生产周期的降低可以提高生产效率，降低制造成本，提高利润。SLM工艺的出现，为注塑模具随形冷却水路设计提供了新的思路。传统冷却管道为横平竖直样式，区域受到加工技术限制不能做冷却管路，这样极大影响了最终成型周期及产品质量。随形冷却采用粉末逐层烧结技术，这就赋予了设计的自由性，让管路随着产品的外形布局。

以某车型电路板外壳为例，基于SLM 技术设计了随形冷却水路，并采用MoldFlow 和Ansys 对随形冷却方案效果进行分析，并与传统冷却方案进行对比。最后采用金属3D 打印工艺制作模仁及冷却水道，在注塑模具上进行验证，结果显示，随形冷却方案大大提高了注塑效率，减少了产品变形。

2 电路板外壳随形冷却方案设计

2.1 电路板外壳技术要求

图1 为某电路板外壳数据，量产材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），溶体温度252 ℃，产品冷却定型出模温度50 ℃，零件尺寸为75 mm×68 mm×24.5 mm，产品量纲为30 万件。尺寸要求：产品加热到80 ℃，口部变形度＜0.3 mm。

图1 某车型电路板外壳示意

2.2 基于SLM工艺的随形冷却水路设计

随形冷却水路的设计需要同时考虑模具水路设计的准则和SLM 工艺成型性，即在满足工艺成型性基础上，设计出冷却性能最优的水路。

基于SLM 工艺的随形冷却水路设计基本准则[1]如下：

2.2.1 水路的直径

通常水路直径＞1 mm 时才能起到冷却效果。

2.2.2 横截面面积

尽管3D 打印可以定制形状，但是在设计水路横截面时应保证水路截面积不变，从而保证恒定体积的冷却液通过管道。

2.2.3 与模具表面的距离

一般传统水路管壁到胶位的最小距离为水路直径的1～1.5 倍。但是3D 水路运用的案例一般局部距离较为局促，需要保证水路到胶位的距离不变（一般最小为2 mm），从而达到均匀的冷却效果。

2.2.4 冷却水路长度

尽管3D 打印水路不存在传统加工时的钻头钻偏错位，但是3D 水路也不宜过长，以便冷却水快速的进出，保证热量被快速带走。

2.2.5 冷却分支

尽管多分支水路视觉冲击感很强，但是实际生产中往往会遇到很多不可察觉的问题。

电器盒Z方向（厚度方向）尺寸为11.6～24.5 mm，变化较大，同时，电器盒口部尺寸为关键尺寸，需保证充分的冷却。基于此要求及水路的设计准则，设计的水路方案如图2所示。

图2 电器盒水路设计方案

为验证基于SLM 技术的随形冷却方案冷却效果，设计图3 所示传统水路作为对照项。

图3 传统水路及随形冷却水路

2.3 随形冷却水路方案CAE验证

为保证分支流道水流速度，避免“死水”，对2.2 节方案进行流速分析优化。同时，为确定入水口，对2 种方案进行分析，结果如图4 所示。结果显示，在不对主流道与分流道交叉处结构做优化的情况下，方案1 从右侧入水，较高的入水速度更有利于模具散热，流道交叉处阻力更小。

图4 流道流速分析

流道速度场及管壁分析结果如图5 所示，入水口与出水口温差在5 ℃以内，水流速度偏小处及水流路径较长的外侧水路温度升高较多，可适当增大外侧水路直径提高其流速增大散热量。

图5 流道速度场及管壁分析

对电器盒平均体积収缩进行分析，结果图6 所示，分布基本一致，接近4.2%。对Z向尺寸变形进行分析，结果如图7 所示，最大变形0.3 mm，且变形均匀，在考虑模具缩放的情况下可以对变形量进一步控制。

图6 收缩率分析

图7 Z向变形分析

基于以上分析结果，该方案可以达到产品最大变形量0.3 mm 的要求。

3 基于SLM工艺的随形冷却模芯制作

3.1 材料选择

电器盒量纲为30 万件，采用SLM 工艺制作带随形冷却水路的模仁，模仁材料性能必须接近模具钢。以传统模具常用的S42020 模具钢材料为例，与SLM 材料18Ni300 对比，性能如表1所示。

表1 3D打印材料与模具钢材料性能对比

由表1 可知，18Ni300 热处理后的性能与S42020 相当，拉伸强度、屈服强度和硬度指标均能满足模具材料要求[2]。

3.2 模具制作及后处理

SLM 工艺采用金属分模烧结成型，成型后的样件表面粗糙，研究表明，制件不同方向上粗糙度不同，如表2 所示，从Ra3.7 μm 至11.2 μm，需要对其进行机加或抛光处理。

表2 不同烧结方向粗糙度Ra μm

由于SLM 制作的模仁，需要进行抛光后处理，在3D 打印之前，必须预留加工余量，根据经验，加工余量设计为0.5 mm。为控制模仁的尺寸变形，SLM 制作完成后，需要带基板一同进行热处理，热处理完成后才能将模仁从基板上切割下来。SLM工艺制作的模仁及抛光后效果如图8 所示。在抛光过程中，模仁表面出现砂眼，需要进行补焊。

图8 模仁抛光前后表面效果对比

4 随形冷却模具效果

对2.2 节中2 种水路模具进行试模，结果如表3所示。采用常温冷却水，传统冷却模仁方案批量注塑成型时间为100 s，随形冷却为55 s，效率提升45%。采用恒温20 ℃冷却水，效率可以进一步提升50%。

表3 试模数据对比

试模产品如图9 所示，左侧灰色为传统方案，口部变形明显，右侧为随形冷却方案，尺寸变形小于0.3 mm，达到设计要求。

图9 试模产品变形量对比示意

5 结束语

综上所述，基于SLM 技术设计和制作随形冷却模仁，可以大大提高注塑成型效率，并减小产品的形变。推广开来，对于电器盒类盒状和杯子状的曲率变化的产品，采用SLM 工艺的随形冷却方案，可以大大提高注塑效率。

虽然基于SLM技术的随形冷却方案相比于传统水路设计具有很大的优势，但是也存在一些缺陷。

a.制造成本高。18Ni300 粉末约300 元/kg，SLM 设备综合单价约300 元/h，本方案随形冷却模仁成本约6 000 元，而传统冷却水路模仁仅需2 000元。

b.SLM 制件表面效果差。SLM 成型件表面粗糙度为Ra10 μm，平均硬度为HRC 35.7，未达到工业应用要求，需要进行打磨和热处理才能满足工业要求。

c.制件质量不稳定。SLM 工艺未形成统一规范，不同成型设备和材料，需要不同的成型条件，制件易出现缩孔等质量问题。

随着材料和3D 打印技术的发展，上述问题的解决将会大大推动其在模具行业的应用。