增材制造（金屬3D打?。? 助力推動模具行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

前言
近年來，隨著經濟的快速發(fā)展和制造業(yè)轉型升級，市場對于注塑產品質量要求逐漸提高，同時為了應對激烈的同行競爭，需要快速切換新型產品，并且盡可能提升生產效率，降低生產成本。對于模具行業(yè)而言，需要不斷提升模具的設計及制造水平，同時縮短開模周期，快速響應客戶需求。

隨形水路模具，是一種將冷卻水道形狀設計成依據產品輪廓的變化而變化的模具，可以很好地減少冷卻熱點，提高冷卻效率，減少冷卻時間、提高注塑效率。 由于水道與模具型腔表面距離一致，因此能夠有效提高冷卻均勻性、減小產品翹曲變形、提高產品質量。然而，由于隨形水路多為彎曲、螺旋走向，截面幾何形狀復雜，利用傳統(tǒng)的機加工手段無法實現(xiàn)。

3D打印技術是一種基于三維模型數據，采用與傳統(tǒng)減材制造技術完全相反的逐層疊加材料的方式，直接制造與相應數字模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法，具有材料利用率高、制造周期短、方案設計靈活、加工自由度高等眾多優(yōu)點。得益于金屬3D打印技術的發(fā)展，可以利用該技術直接成型具有復雜內流道結構的金屬模具，在提升模具注塑效率同時，還能大幅縮短開模周期，滿足不斷提高的客戶需求。

隨形水路模具優(yōu)勢
隨形水路的形狀可以依據產品輪廓變化而變化，更貼合產品表面，冷卻效率更佳。并且流道和模具型腔不同位置的表面距離可以保持一致，冷卻均勻性大幅提高，不容易產生局部熱點，從而可以減少產品的翹曲變形。從這幾個方面看，隨形水路模具可以帶來以下三點收益：

1. 產品生產效率的提升。3D打印的隨形水路可以同零件表面距離更近，排布更為密集，帶來的冷卻效率大幅提升。對于有深腔結構的產品，隨形水路的設計可以帶來50%~80%的冷卻時間縮減。對于冷卻時長占比較高的注塑工藝，往往能帶來30%以上的效率提升。如圖3中的隨形水路設計，根據模流分析結果，隨形水路節(jié)省了約30%的冷卻時間，而實際試模后生產周期由4s降低到了2s，提升近1倍。

2. 產品質量提升。模具溫度的波動會對塑膠產品的收縮率、尺寸穩(wěn)定性、變形、應力開裂、表面質量等帶來很大的影響。隨形水路的設計可以更好地控制模溫，減小不同位置的溫度差，從而解決由于導熱帶來的產品質量問題。如圖4中的模具頂部采用了隨形水路，同傳統(tǒng)冷卻水路相比，型腔表面模溫的差值從19低到了5。

3. 延長模具使用壽命。由于傳統(tǒng)加工方式得到的水路存在較多熱點，嚴重時會在局部形成較大熱應力。這些位置容易造成應力集中，也由此導致模具壽命下降。而隨形水路模具由于大幅減少了這些熱量集中點，合理設計的隨形水路模具在使用壽命上還能有所增加。此外，傳統(tǒng)模具為了獲得更好的散熱效果，會使用鈹銅作為某些結構的模具材料。由于鈹銅相對較軟，使用壽命不高。采用隨形水路后，在設計結構上解決了散熱問題，而3D打印常用的模具材料硬度可達52HRC以上，模具壽命可以得到很好保障。

隨形水路模具應用領域
3D打印技術的出現(xiàn)，極大拓展了模具設計的自由度。依托于3D打印技術的隨形水路模具，在冷卻效率上有著巨大優(yōu)勢。所以無論是從生產效率、生產成本考慮，還是從產品質量出發(fā)，使其在各個領域有著重要的應用。目前應用隨形水路模具較多的產品領域如下。

1. 醫(yī)療美妝類：醫(yī)療美妝類產品，如化妝瓶包裝瓶、臉部按摩儀、拔火罐等透明產品，通常附加值較高，對產品外觀要求也非常高。隨形水路帶來的產品質量提升效果能在這些產品中得到充分體現(xiàn)。

2. 3C電子類：目前隨形水路模具在藍牙耳機、電子煙、手機外殼等3C類電子產品中得到了廣泛應用。這類產品外形更新快，要求開模周期短，3D打印技術能夠很好滿足這點。尤其通常這類產品的生產壓力比較大，隨形水路帶來的效率提升能夠很好提升企業(yè)競爭力。

3. 小型電器：這類產品如電動扳手、剃須刀等，多具有深腔結構，隨形水路的使用能夠很好提升生產效率，改善產品外觀。

4. 汽車中控、內飾：這類產品多具有多個深腔、異型結構，隨形水路能夠很好滿足這些位置的冷卻問題，提高成品率和生產效率。

5. 白色家電外殼：諸如空調、洗衣機等白色家電外殼部分，具有部分深腔結構，采用隨形水路可以很好提升生產效率。

隨形水路模具的設計及制造

客戶采用隨形水路模具的目的，多是為了提升產品質量、降低廢品率，或者是提升生產效率，降低加工成本。產品模具的水路設計尤為重要，不合理的設計容易造成膠位面過薄，影響壽命，或者造成水壓不穩(wěn)，無法發(fā)揮隨形冷卻優(yōu)勢。設計人員要求具備模具設計經驗能力，同時對3D打印的結構特點、成型特點非常了解。

一般在模具水路設計之前，銷售人員會同客戶進行深入交流，了解目前產品現(xiàn)狀以及客戶需要提升的方面，設計人員根據模具特點，判斷直接一體成型或者嫁接打印。嫁接打印能夠減少模具成本，但由于材料匹配等問題，在界面處容易形成缺陷。同客戶達成一致后，設計人員會在需要布局隨形水路位置進行進行水路設計，最后可以結合模流分析等模擬手段進行不同方案比較、提升效果評估。

設計定稿后，采用選區(qū)激光熔覆的成型方式進行打印成型，通常在1天內即可完成。打印結束后，需要對模具管路進行全面清粉。隨后，根據客戶需要進行熱處理，形成48~54 HRC硬度。最后，對模具進行基準面加工，以及完成對關鍵尺寸的檢測。

3D打印隨形水路模具市場分析
隨形水路模具是金屬3D打印技術在民用領域最重要的應用之一。隨形水路模具的發(fā)展同金屬3D打印技術商業(yè)化應用的歷程基本一致。早在2010年左右，德國、美國等已經將3D打印技術應用于隨形水路制造方面。那時3D打印的設備和材料價格非常高昂，導致3D打印價格非常昂貴。但由于隨形水路的諸多優(yōu)勢，一些高附加值注塑產品企業(yè)，如電子煙、化妝品包裝等，已經開始在國外進行隨形水路模具打印。2012年左右，金屬3D商業(yè)化設備開始大量進入中國，并得到了快速國產化替代，3D打印的價格也逐步下降。這些年，國內已經形成了多家專做模具3D打印的企業(yè)，華南地區(qū)如東江模具、深圳德科、東莞康明、深圳鑫瑞寶源、東莞APM、馬路科技等，臺灣地區(qū)如世銳精密工業(yè)、臺灣數可科技、臺灣新秀工業(yè)等，華東地區(qū)如上海悅瑞、上海鐳鏌、蘇州歐普精密等企業(yè)，企業(yè)規(guī)模逐年快速增長。

寧波中烏新材料產業(yè)技術研究院擁有德國進口的EOS M290金屬3D打印設備，一支涵蓋模具設計、機械制造、材料工程專業(yè)的碩博團隊，具備多種材料打印變形控制、質量控制技術，可以為寧波諸多模具企業(yè)提供隨形水路模具的設計及制造服務。

3D打印隨形水路模具未來發(fā)展
3D打印隨形水路模具盡管有諸多優(yōu)勢，但由于水路設計對設計人員專業(yè)要求高、3D打印材料有限、成本高等問題，應用多集中在附加值高的注塑行業(yè)中，在吹塑、鑄造模具領域應用相對較少。目前，3D打印模具的發(fā)展主要集中在這三個方面。

1. 隨形水路的自動設計。隨形水路的設計需要結合材料特性、水路冷卻特性、水流穩(wěn)壓、3D成型特性等方面，同個產品通常有多種水路排布方式，非常依賴設計人員的經驗和專業(yè)知識。目前國外多個工業(yè)軟件公司正在研發(fā)自動隨形水路設計軟件，如3D system Cimatron，可以根據模具三維數據自動生成隨形水路。盡管如今自動生成的隨形水路仍有許多不合理之處，但隨著技術的不斷進步，數據庫的不斷充實，未來隨形水路的設計將不再如此依賴專業(yè)人員。

2. 模具專機的發(fā)展。為了降低3D打印隨形水路的制造成本，需要降低設備費用和材料費用。因此，發(fā)展3D打印模具專機成為一個必然選擇。模具打印追求高的成型效率，而對設備尺寸、外形精度則相對要求不高。配備大功率激光器，加上特殊光路設計，輔之專用的大層厚工藝參數，不但可以降低設備成本，還能提升成型效率。

3. 成型材料體系的拓廣。目前可供模具使用的3D打印材料非常有限，幾乎是只能選擇1.2709和CX兩種。應用于模具行業(yè)的H13、高光材料等，目前都難以成型。高碳鋼的成型目前受限于較大的成型應力，無法保證成型件一致性。但隨著設備的不斷進步，對3D打印過程理解的不斷深入，適合3D打印的材料體系將不斷拓廣，從而覆蓋更多模具領域。