直接金属激光烧结技术成功实现随形冷却

这是一个来自Phillips Plastics公司的特色项目。DMLS（直接金属激光烧结）随形冷却模具插件的设计包含了冷却通道的设计，以便快速和均匀地冷却模具内的各个型腔，如果采用普通的模具生产技术是不可能做到这一点的。人们的期望无非是减少加工时间和提高零件质量。

模具设计中的随形冷却技术，是一种切实可行的冷却技术，但在现有的生产中，由性能界限造成的设计障碍，往往将其可取之处排除在实用范围之外。DMLS技术的出现和可行性，给予了如同Phillips Plastics公司的模具制造商们在设计方面的自由度，使随形冷却成为一种经济实用的技术。

随形冷却技术是充分发挥模具性能最有效的手段。但是从历史上来看，采用直线法或耗费时间和成本的二次操作法，一直存在着问题。然而，DMLS技术却给予了随形冷却技术一个突破的机会，使其能够创建出带有精密定位功能和无缝冷却通道的模具和插件。

这是一个来自Phillips Plastics公司的特色项目。DMLS（直接金属激光烧结）随形冷却模具插件的设计包含了冷却通道的设计，以便快速和均匀地冷却模具内的各个型腔，如果采用普通的模具生产技术是不可能做到这一点的。人们的期望无非是减少加工时间和提高零件质量。

DMLS定义

直接金属激光烧结（DMLS）技术是由EOS有限公司开发的，这是一种金属添加生产技术，直接由3D CAD文件创建。该技术采用一种CAD文件，并将目的物切分成20μm或40μm的薄层。然后采用一台200W的光纤激光器，利用这些薄层制作零件。采用这种局部熔化方法，将金属粉末逐层烧结在一起，无需粘合剂。其所获得的最终结果是一个高密度的金属零件。

EOSINT M270 DMLS machine

技术数据

M270型激光烧结机有一个密封的制作室，其尺寸为9.5in×9.5in×7.5in（1in=25.4mm，下同）。而在新的M280型激光烧结机上，该密封制作室的尺寸增加到了9.5in×9.5in×12in。在对角线方向上，制作某种超过该激光烧结机基座长度的零件是有可能的。另一个选项则是采用分段制造法，然后将各段焊接在一起，成为一个整体零件。
DMLS激光烧结机中第一英寸上的内置典型公差为0.005in，此后，每一英寸的附加公差为0.002in，如果对于各个项目进行一些微调，该激光烧结机还能够达到更精密的公差尺寸。

DMLS材料

DMLS材料是由水或气体雾化而成的精细金属粉末锻制而成。它们与目前市场上的合金几乎完全一样。大多数DMLS材料都符合或超过ASTM标准：DM20青铜合金；PH1不锈钢15-5（符合ASTM A564-04（XM12）、ASTM A693-06（XM12）技术规格；GP1不锈钢17-4（符合AMS 5643技术规格要求）；MP1钴铬合金（符合UNS R31538标准成分）；MS1马氏体时效钢（符合美国18% Ni马氏体时效钢300分类标准）；AlSi10Mg铝合金；IN718镍合金（其组成相当于UNS N07718、AMS 5662、AMS 5664、W.Nr 2.4668和DIN NiCr19Fe19NbMo3）；以及Ti64钛Ti64（满足ASTM F1472标准要求）。

二次加工工艺

DMLS固有的设计自由度，降低了对二次生产工艺的需求。例如，在一个CAD文件中可包含创建一个雕刻零件的文本。在需要时，可对DMLS激光烧结机上制作的零件进行二次加工（图2）。这些选项包括机加工、攻丝、焊接、喷涂、电镀、纹理加工、电火花加工和雕刻。

图2 a）传统冷却路线；b）随形冷却路线

抛光加工需要预先制定计划。DMLS激光烧结机生产的零件，经抛光加工后可达到镜面光洁度的水平，但考虑到在抛光过程中，需要去除一部分材料，该零件的尺寸必须在CAD文件中做些修正根据所需要达到的光洁度，增加0.008~ 0.030in的抛光裕量。

冷却通道

采用一套有效的温度控制系统，可节约注塑工艺的时间和生产成本。传统的冷却依赖于模具材料的导热率和直线钻孔通道等因素。由合金制作的高价模具插件，具有较高的导热特性，有助于工艺生产。随形冷却采用围绕产品为中心的冷却通道，它的焦点集中在注射熔体的冷却上。

当塑料熔体均匀冷却时，其内应力将降至最低。这将有利于生产出较高质量的零件，使其几乎不存在翘曲或凹痕问题。另一个优势是废品率大幅度降低。从一个传统的模具升级到带有随形冷却通道的模具后，可使生产率提高30%~60%（图3）。适度地保持模具的温度，有利于提高模具的使用寿命和减少因更换模具所造成的高额成本。

图3 在关键时刻，模拟软件帮助我们找到了正确的流道布局

直线钻孔不利于随形冷却通道的数控加工。相互交叉的通道、复杂的冷却液路线和零速度区域，难以控制管理，工艺流程与熔体之间不能达到可控制的或均衡的距离。实践证明，用EDM机床作为模具生产的二次加工设备，无论在时间和金钱方面都将会付出巨大的代价。

DMLS激光烧结机将随形冷却通道制作到模具之中，作为模具的其中一个部分。在型腔周围加工的冷却通道，其里面流动的冷却液是可以控制的，以达到最佳冷却效果。

采用与独立冷却和加热通道相结合的组合系统也是有可能的，也可用DMLS激光烧结机来制作主系统之间的分离系统（用于控制全局温度）和特定的系统（用于控制接近型腔的临界温度），这开辟了面向未来的潜在应用领域。DMLS激光烧结机的生产周期可以缩短至5~7天。

指导方针

所推荐使用的模具材料是MS1马氏体时效钢。这是一种最坚硬和最经久耐用的材料，在95%的所有DMLS模具中都使用了这种材料。它可以进行后置淬火处理使其达54Rc，并可在其达到屈服点前，承受398.9℃的高温。

凡是用DMLS激光烧结机制作的情况下，模具插件都需要抛光处理，为了保证严密的公差尺寸，最好采用专业模具抛光机对模具插件进行抛光加工。

DMLS激光烧结机可以创建直径达1mm的冷却通道；然而，这样细小的冷却通道只有采用经过特殊处理的冷却液才能投入实用，以免引起通道堵塞。在这样严格的条件下，采用一种模拟软件可以帮助我们找到合适的冷却通道布局（图4a）。

图4 除了圆周形冷却通道外，设计人员还可使用更复杂的形状，以达到更高的冷却性能

根据经验，应该选用的最佳直径为4~12mm，这取决于产品的设计。这些都是在理想的情况下选用的数值，但在实践中，有时候模具的插件过于细小，无法使其完全遵循这个规则。例如，一对脱模销相互之间靠的太近，壁厚太薄等。在复杂的几何条件下，设计更小的直径可能是有必要的。

除了圆周形冷却通道外，设计人员还可以使用更复杂的形状，以达到更高的冷却性能。根据可行性标准设定的横截面，其应能达到自我支持的能力。这意味着悬垂区域的角度应高于水平面40°以上。在图4b的最后一幅图片中可以看到，其冷却性能可因其加强筋的形状以及通道中较高的预期湍流（较高的雷诺数）而提高。这是Phillips公司为这一特色项目而选用的通道。某些悬臂角要求在制造过程中得到支持。冷却通道中的支架不能去除。您的DMLS激光烧结机操作员应能在生产制造前，帮助鉴别不确定的角度。

案例研究

给料量：0.0774lb/每次；
材料类型：Celanex 2401MT
单型腔传统模具生产周期：16.78s；
吨位：80t Netstal激光烧结机；
4型腔DMLS随形冷却通道生产周期：13.02s；
型腔到型腔周期时间改善情况：提高22%；
传统模具生产的平直度规格要求：0.25mm： 最小0.15、最大0.0.223；
采用DMLS随形冷却的平直度规格要求：0.2mm、最小0.080、最大0.161；
可量化部分功能提高：20%。

Phillips Plastics公司来到我们这里，要求我们设计4 型腔模具中的一个插件，这个模具将代替我们目前正在操作运行中的单型腔模具（图5）。

图5 模具插件的设计图中可以看到其随形冷却通道

GPI Prototype原型公司使用一种H13工具钢板和采用该钢板上的内置随形冷却通道，建造DMLS模具插件（图6）。我们将这一钢板连同制作的模板一起发送给Phillips Plastics公司，让他们对这个插件进行后期加工和线切割加工。

图6 由4型腔DMLS随形冷却模具制作的成品

Phillips Plastics公司证实：使用DMLS随形冷却，可缩短加工周期时间，并且使零件质量更高。

许多应用领域中的随形冷却，由于在执行中存在的问题，便被人们认为是一种失败的技术。DMLS技术能够帮助模具设计人员和模具制造商们有效地设计出高性能和高效率的随形冷却模具，重新打开了随形冷却技术的大门。DMLS技术不断证明，其所创建的模具可以大幅度提高生产效率。但它也存在着缺点，就是尺寸大小受到构建范围和设计人员相互沟通时存在的差距所影响。在这一案例研究中，Phillips Plastics公司看到的结果和回报，证明了DMLS技术在随形冷却中的实用性。