打印制作模具隨形冷卻型芯THREEDIMENSIONALPRINTINGSLM:Selectivelasermelting（選擇性激光熔化）是利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化、快速凝固的一種技術(shù)?！督饘僭霾闹圃旃に囍朴喤c實(shí)施》項(xiàng)目獲取與分析項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)YOURLOGOLearningObjectives※學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解金屬3D打印當(dāng)前在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀；2.理解模具型芯隨形冷卻的概念與意義；3.掌握SLM金屬增材制造模具型芯的工藝特點(diǎn)及注意要點(diǎn)；4.能應(yīng)用切片軟件，合理選擇加工參數(shù)，完成打印程序；5.能夠操作金屬打印機(jī)完成本項(xiàng)目制件的打印工作；

能夠完成本項(xiàng)目制件所有相關(guān)后序處理工作※項(xiàng)目情境：某模具企業(yè)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)?zāi)＞叩碾S形冷卻型芯，型芯模型設(shè)計(jì)好以后，交由增材制造事業(yè)部進(jìn)行打印，并要求后處理加工完成型芯配合固定部分，不需要拋光。該產(chǎn)品數(shù)量為兩件，材料為模具鋼。

生產(chǎn)工程師接到任務(wù)以后，通過(guò)任務(wù)單了解并分析客戶(hù)需求，根據(jù)客戶(hù)提供的圖紙及3D模型圖，選擇加工方法、材料、設(shè)備等，制定打印工藝，完成打印及后處理后，交付質(zhì)檢部驗(yàn)收確認(rèn)，并填寫(xiě)設(shè)備使用情況和維修記錄。任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)STATUSOFINDUSTRYDEVELOPMENTYOURLOGO

項(xiàng)目獲取與分析?任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解金屬3D打印在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀；2.理解模具型芯隨形冷卻的概念與意義；3.掌握增、減材混合工藝的編制與應(yīng)用。項(xiàng)目獲取與分析表2-1-1任務(wù)工單產(chǎn)品名稱(chēng)果凍殼模具編號(hào)

時(shí)間3天序號(hào)零件名稱(chēng)規(guī)格材料數(shù)量/套生產(chǎn)要求1隨形冷卻模具型芯D50*50316不銹鋼41.增材加工成型部分及基體；2.減材加工配合固定部分；3.成型表面部分隨模具型腔一體處理。2

備注

接單日期生產(chǎn)部經(jīng)理意見(jiàn)（同意生產(chǎn)）完成日期：項(xiàng)目獲取與分析請(qǐng)參見(jiàn)圖2-1-1，了解“隨形冷卻模具型芯”零件的最終效果：圖2-1-1零件效果圖項(xiàng)目獲取與分析【項(xiàng)目分析】一、圖樣分析下圖為“隨形冷卻模具型芯”的零件圖（圖2-1-2），現(xiàn)做如下分析：圖2-1-2隨形冷卻零件圖紙項(xiàng)目獲取與分析1.整體分析本產(chǎn)品為果凍殼模具的小型芯，注塑生生產(chǎn)過(guò)程中，為使柱形型芯冷卻更為快速均勻，故將內(nèi)部冷卻水路設(shè)計(jì)為螺旋環(huán)型，但異形水路采用傳統(tǒng)加工手段難以實(shí)現(xiàn)，而采用增材制造方式可以完美解決。小型芯下端部分為方形定位臺(tái)階，起配合固定作用，該輪廓需要進(jìn)行數(shù)控銑精加工。型芯底面設(shè)置進(jìn)出水孔、頂桿孔、固定螺絲孔，也需要后序精確加工。最終型芯要與模具其它成型部分進(jìn)行一體拋光處理。2.尺寸分析該零件下端方形定位臺(tái)階部分尺寸需要減材加工進(jìn)行保證，同時(shí)要確保形位公差（垂直度、平行度、平面度）達(dá)到精度要求，因此打印時(shí)要留有單邊余量0.4mm以上。零件中心的推桿孔需要鉸削加工，因此打印時(shí)要留有單邊余量0.2mm。底面螺紋底孔D4.2由增材制造保證，再由絲錐攻螺紋完成。其它成型部分尺寸由金屬打印完成。3.表面質(zhì)量本制品要經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火，減材加工后，其它成形部位將采用超聲波拋光，與模具其它成型零件一起表面強(qiáng)化處理，并一體完成拋光，以充分滿(mǎn)足在模具上的應(yīng)用需求。項(xiàng)目獲取與分析二、相關(guān)知識(shí)1.傳統(tǒng)模具制造的瓶頸

冷卻水路是指在模架、模仁中利用機(jī)械加工出來(lái)的貫穿性的孔，通過(guò)某種介質(zhì)（如水、油）不停的在里面循環(huán)。達(dá)到控制模具的溫度，以便更好的控制塑料產(chǎn)品在模具中的冷卻及收縮，從而控制產(chǎn)品尺寸及表面要求。傳統(tǒng)的模具內(nèi)，冷卻水路只能通過(guò)銑床鉆孔的方式加工產(chǎn)生內(nèi)部水路網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)內(nèi)置止水栓和外置堵頭的方式來(lái)調(diào)整水路流向。這樣就導(dǎo)致水路布置有很大的局限性，水路只能為圓柱形直孔，無(wú)法百轉(zhuǎn)環(huán)繞于模具內(nèi)腔之中。當(dāng)遇見(jiàn)形狀復(fù)雜的模具產(chǎn)品時(shí)，傳統(tǒng)水路無(wú)法完全貼近注塑件表面，冷卻效率低且冷卻不均勻，導(dǎo)致注塑周期長(zhǎng)、產(chǎn)品變形量大。

此外傳統(tǒng)的模具制造需要經(jīng)過(guò)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、工藝審查、可行性分析、工藝設(shè)計(jì)、編程、精加工等流程，步驟繁瑣，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，且涉及較多的人工參與及工具使用。項(xiàng)目獲取與分析2.

3D打印技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用重新定義了冷卻水路。3D打印技術(shù)的發(fā)展與革新，改變長(zhǎng)期以來(lái)被傳統(tǒng)水路支配的困局，可充分提高模具制造效率與良品率。通過(guò)3D打印技術(shù)，可以制造出一種無(wú)所不能的冷卻水路——隨形水路，它可根據(jù)產(chǎn)品輪廓的變化而變化，到達(dá)模腔任何地方，模具內(nèi)部將無(wú)任何冷卻盲點(diǎn)（參見(jiàn)圖

2-1-3）。圖2-1-3隨形冷卻原理項(xiàng)目獲取與分析

隨形水路目前主要利用選區(qū)激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)，可做出更為復(fù)雜與圓滑的水路形狀且成本更低。金屬3D打印技術(shù)在模具冷卻水路制造中的應(yīng)用則突破了交叉鉆孔方式對(duì)冷卻水路設(shè)計(jì)的限制。現(xiàn)在，模具設(shè)計(jì)企業(yè)可以設(shè)計(jì)出更靠近模具冷卻表面的隨形水路，它們具有平滑的角落，完美貼近模具型腔，實(shí)現(xiàn)最佳模溫狀態(tài)，獲取更快的流量和更高的冷卻效率。

其次隨形水路突出優(yōu)勢(shì)在于：設(shè)計(jì)的無(wú)限性、較少的人工參與、優(yōu)秀的成型質(zhì)量以及工期的大大縮短，僅需要模具的三維模型輸入打印機(jī)即可自行加工，從而提高了生產(chǎn)效率；可適應(yīng)0.8~1.5Mpa甚至更高高壓的模溫機(jī)，提升了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，使產(chǎn)品的單位成本降低。項(xiàng)目獲取與分析

3.隨形水路冷卻系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)原則。隨形水路冷卻系統(tǒng)具備諸多的優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)水路方案的過(guò)程中仍要盡量遵循以下原則：

（1）水路的形狀與大小冷卻水道通用的標(biāo)準(zhǔn)截面形狀包括圓形、半圓形、矩形和U形。剖面周長(zhǎng)越長(zhǎng)，冷卻效率越高，冷卻速度越快。通過(guò)Moldflow軟件分析冷卻水道的仿真效果表明，U形截面冷卻效率較高，半圓形截面冷卻效率較低。此外考慮到中空水路打印時(shí)會(huì)產(chǎn)生支撐，一般截面直徑不易超過(guò)12毫米，而6毫米左右最為適宜。

（2）恒定體積定律傳統(tǒng)水路制造時(shí)，其橫截面積是不變的。盡管通過(guò)3D打印技術(shù)可以制造出一條擁有多種不同形狀的水路，但是，在設(shè)計(jì)3D打印隨形冷卻水路時(shí)，應(yīng)保持水路的橫截面積不變，從而保證恒定體積的冷卻液體通過(guò)水路。項(xiàng)目獲取與分析（3）與模具表面的距離冷卻水路與模具表面的距離并沒(méi)有一個(gè)明確的數(shù)值，對(duì)于隨形水路來(lái)說(shuō)，影響水路與模具表面距離的關(guān)鍵因素在于零件的幾何形狀。設(shè)計(jì)與模具表面距離時(shí)，只需要遵循一個(gè)原則即：隨形水路與模具表面始終保持相同的距離，從而達(dá)到均勻冷卻效果。（4）冷卻水路的長(zhǎng)度3D打印技術(shù)制造隨形冷卻水路，不存在傳統(tǒng)鉆孔刀具損壞等問(wèn)題，但在設(shè)計(jì)時(shí)仍不建議將水路設(shè)計(jì)得過(guò)長(zhǎng)。原則是直徑最大化，流長(zhǎng)最小化，以保證水路的冷卻效率。項(xiàng)目獲取與分析

4.當(dāng)前常用的金屬3D打印材料有哪些？

按照材料種類(lèi)劃分，3D打印金屬材料可以分為鐵基合金、鈦及鈦基合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金及貴金屬等。

（1）鐵基合金是3D打印金屬材料中研究較早、較深入的一類(lèi)合金，較常用的鐵基合金有工具鋼、316L不銹鋼、M2高速鋼、H13模具鋼和15-5PH馬氏體時(shí)效鋼等。鐵基合金使用成本較低、硬度高、韌性好，同時(shí)具有良好的機(jī)械加工性，特別適合于模具制造。3D打印隨形水道模具是鐵基合金的一大應(yīng)用，傳統(tǒng)工藝異形水道難以加工，而3D打印可以控制冷卻流道的布置與型腔的幾何形狀基本一致，能提升溫度場(chǎng)的均勻性，有效降低產(chǎn)品缺陷并提高模具壽命。項(xiàng)目獲取與分析

（2）鈦及鈦合金以其顯著的比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕、生物相容性好等特點(diǎn)，成為醫(yī)療器械、化工設(shè)備、航空航天及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域的理想材料。然而鈦合金屬于典型的難加工材料，加工時(shí)應(yīng)力大、溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，限制了鈦合金的廣泛應(yīng)用。而3D打印技術(shù)特別適合鈦及鈦合金的制造，一是3D打印時(shí)處于保護(hù)氣氛環(huán)境中，鈦不易與氧、氮等元素發(fā)生反應(yīng)，微區(qū)局部的快速加熱冷卻也限制了合金元素的揮發(fā)；二是無(wú)需切削加工便能制造復(fù)雜的形狀，且基于粉材或絲材材料利用率高，不會(huì)造成原材料的浪費(fèi)，大大降低了制造成本。目前3D打印鈦及鈦合金的種類(lèi)有純Ti、Ti6A14V(TC4)和Ti6A17Nb，可廣泛應(yīng)用于航空航天零件及人工植入體(如骨骼，牙齒等)。項(xiàng)目獲取與分析

（3）鎳基合金是一類(lèi)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的高溫合金，其在650～1000°C高溫下有較高的強(qiáng)度和一定的抗氧化腐蝕能力，廣泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等領(lǐng)域。例如，鎳基高溫合金可以用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片與渦輪盤(pán)。

（4）鈷基合金也可作為高溫合金使用，但因資源缺乏，發(fā)展受限。由于鈷基合金具有比鈦合金更良好的生物相容性，目前多作為醫(yī)用材料使用，用于牙科植入體和骨科植入體的制造。目前常用的3D打印鈷基合金牌號(hào)有Co212、Co452、Co502和CoCr28Mo6等。

（5）鋁合金密度低，耐腐蝕性能好，抗疲勞性能較高，且具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，是一類(lèi)理想的輕量化材料。3D打印中使用的鋁合金為鑄造鋁合金，常用牌號(hào)有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi9Cu3等。

（6）其他金屬材料如銅合金、鎂合金、貴金屬等需求量不及以上介紹的幾種金屬材料，但也有其相應(yīng)的應(yīng)用前景。項(xiàng)目獲取與分析

5.本項(xiàng)目采用的模具鋼3Cr2Mo屬于國(guó)標(biāo)塑料模具鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T1299-2014。3Cr2Mo鋼是一種通用型預(yù)硬化塑料模具鋼,是各國(guó)應(yīng)用較廣泛的一種塑料模具鋼。由美國(guó)AISI的P20轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的預(yù)硬性塑料模具鋼,并已納入國(guó)標(biāo)。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可以進(jìn)行機(jī)械加工。具有良好的可加工性和鏡面研磨拋光性能,機(jī)械加工成形后,型腔變形及尺寸變化小,經(jīng)熱處理后可提高表面硬度和模具使用壽命。3Cr2Mo應(yīng)用范圍：

（1）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的45鋼,可用于制作大型注塑模具或擠壓成型模；

（2）該鋼在相同拋光條件下,表面粗糙度比45鋼低1~3級(jí)；

（3）適用于壓塑模具，一般可在退火工藝后粗加工，之后經(jīng)淬火回火工藝后硬度可達(dá)30-35HRC；

（4）適用于耐蝕性、高精度模具。項(xiàng)目獲取與分析

6.金屬粉末規(guī)格指標(biāo)

業(yè)內(nèi)對(duì)于金屬粉末的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要有化學(xué)成分、粒度分布、粉末的球形度、流動(dòng)性、松裝密度。金屬粉末3D打印常用粉末粒度指標(biāo)范圍為：細(xì)粉15~53μm，粗粉53~105μm。不同的打印工藝也會(huì)選擇不同的粉末粒度，例如SLM工藝常選用15~53μm的粉末，EBSM工藝常選用45~105μm的粉末，熱噴涂工藝則常選用15~45μm的粉末。

粉末的粒度分布是指不同粒徑的顆粒占全部粉末的含量。通常來(lái)說(shuō)，粉末的粒度越小，驅(qū)動(dòng)力就會(huì)越大，從而燒結(jié)就越容易。粉末之間的孔隙率越小，燒結(jié)的致密化程度以及強(qiáng)度就會(huì)越高，打印出來(lái)的金屬模型的表面質(zhì)量以及強(qiáng)度就會(huì)越高。但是，如果金屬粉末的顆粒過(guò)小，細(xì)粉過(guò)多，也會(huì)導(dǎo)致鋪粉的厚度不均勻，出現(xiàn)“球化”現(xiàn)象，最終使模型無(wú)法成型。項(xiàng)目獲取與分析三、現(xiàn)場(chǎng)條件分析表2-1-2現(xiàn)場(chǎng)條件分析表打印工藝類(lèi)型SLM激光融化工藝打印材料類(lèi)型不銹鋼316打印機(jī)品牌型號(hào)YLM-120材料規(guī)格粉末粒度15~53μm設(shè)備最大打印尺寸D120*40后序處理去應(yīng)力退火、線割、銑床、鉗工切片軟件3DXpert表面處理類(lèi)型后期整體拋光項(xiàng)目獲取與分析【工藝方案制定】

一、工藝路線分析

客戶(hù)提供的模型數(shù)據(jù)往往只是最終所需模型，缺乏增材或減材工藝余量考量，此外模型在傳輸或轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能也會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)缺損失真等情況，因此首先必須對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查分析。

模型數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)誤后，就可以導(dǎo)入切片工藝軟件內(nèi)進(jìn)行打印工藝設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置，最終后置完成切片編程。

傳輸程序執(zhí)行金屬增材打印，完成后一體取下工件和打印基板，清粉后整體進(jìn)行去應(yīng)力退火。項(xiàng)目獲取與分析

由于本制件為模具型芯，其基座輪廓需要精加工。考慮其基座為圓盤(pán)座且與打印基板是實(shí)體支撐，可通過(guò)夾持基板在車(chē)床上加工圓盤(pán)座并鉸孔，然后再線割取件，并再次車(chē)削圓盤(pán)座底面。最后鉗工要對(duì)相關(guān)螺紋孔進(jìn)行攻螺紋操作，最終獲取合格產(chǎn)品。

綜合現(xiàn)場(chǎng)條件，確定如下工藝路線可參見(jiàn)圖2-1-4所示。圖2-1-4工藝路線圖項(xiàng)目獲取與分析二、制定工藝方案（見(jiàn)表2-1-3）班級(jí)：工藝過(guò)程卡片產(chǎn)品型號(hào)

零件圖號(hào)

產(chǎn)品名稱(chēng)零件名稱(chēng)

加工數(shù)2材料牌號(hào)

材料形態(tài)粉末制件體積

預(yù)估用時(shí)

預(yù)估耗材（克）

工序號(hào)工序名稱(chēng)工序內(nèi)容車(chē)間工段設(shè)備工藝裝備工時(shí)準(zhǔn)終單件01模型分析檢查模型尺寸，檢查模型數(shù)據(jù)是否有破損微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

檢查模型格式，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

分析圖紙，對(duì)需要減材加工部位進(jìn)行余量設(shè)置微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換微機(jī)室

計(jì)算機(jī)NX軟件

表2-1-3工藝過(guò)程卡項(xiàng)目獲取與分析02切片編程模型調(diào)入切片軟件微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

調(diào)整模型擺放微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

對(duì)模型進(jìn)行支撐設(shè)置微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

設(shè)置激光掃描策略和激光參數(shù)微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

執(zhí)行切片，后置程序微機(jī)室

計(jì)算機(jī)3D-Xpert軟件

項(xiàng)目獲取與分析03實(shí)施打印穿戴好工裝，做好安全防護(hù)，牢記安全操作規(guī)程增材車(chē)間

金屬打印機(jī)工裝、面罩、吸塵器、毛刷

進(jìn)行金屬打印準(zhǔn)備，檢查設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)是否正常增材車(chē)間

金屬打印機(jī)打印基板、烘干機(jī)、粉桶、吸塵器、毛刷

制備惰性氣體，添加干燥金屬粉末增材車(chē)間

金屬打印機(jī)打印基板、烘干機(jī)、粉桶、吸塵器、毛刷

安裝刮條，找平工作臺(tái)，調(diào)整刮板高度增材車(chē)間

金