CN113500207A - 一种金属3d打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法；首先设计具有自支撑结构随形冷却水路的三维模型，该水路靠近模具表面呈螺旋状随形分布，水路内部设计网格支撑结构，支撑结构与水路内壁紧密贴合，为水路成型过程提供支撑，同时保证冷却水路的有效水流量。模具底部与注塑机装配部分使用金刚石网格结构，实现网格化减材。然后，将模型数据导入金属3D打印设备；最后选择合适材料，采用优化参数进行3D打印成型模具。这种内部带支撑结构的随形冷却水路，能够保证水路的结构强度，有效避免在成型过程中的结构坍塌，从而突破冷却水路最大可成型尺寸限制。进而实现模具的快速、高效和高质量冷却，提高生产效率和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法。
背景技术
随着人们的生活需求水平不断提高，对注塑产品的形状复杂程度要求也逐渐增加。在实际的注塑生产过程中，喷流式、挡流板阵列、衬套式、隔板等传统冷却水路通常是直线分布。
对于形状复杂的注塑模具不仅容易因冷却水路与型腔表面距离不一致，导致注塑件出现翘曲变形等缺陷，而且降低了对注塑件的冷却效率，使得生产效率较低。相对于传统冷却水路，随形冷却水路具有设计自由的特点，水路的形状能随注塑件的形状特征设计成曲线，从而控制水路与型腔表面距离的距离，实现塑件均匀有效冷却。
然而，传统方法制备的冷却模具，其冷却水路一般采用钻孔的机械制造方法，难以在模具内部制备弯曲复杂的随形冷却水路。
随着金属3D打印技术的成熟发展，该技术为随形冷却模具复杂的内部水道的制造提供了新的方法。金属3D打印是利用高能量激光束产生高温将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化，由下而上逐层打印实体零件的一种增材制造方法。
相对于传统切削加工方法，它具有提高小批量零件生产效率、缩短加工时间、减少材料浪费、节约加工成本和个性化定制等优点，在航天航空、医学、汽车、模具、珠宝首饰等领域得到广泛的应用。
将金属3D打印的优势应用于模具设计中，不仅能成型复杂几何形状的模具，还能够缩短模具成型工序和周期。
但是由于金属3D打印过程中，高能量密度激光使材料瞬时熔化，并在激光离开时快速凝固，冷却速率可高达106-108K/s。
金属3D打印成型过程中容易产生较大的内应力，导致结构变形、坍塌、开裂等缺陷。因此，对于悬垂结构，在金属3D打印成型时，通常需要添加支撑结构，以确保成型的顺利进行。
在随形冷却模具中，冷却水道的上壁就是典型的悬垂结构；受较大应力的影响，当水道孔径较大时，其顶部悬垂结构在应力作用下，容易出现边缘坍塌、卷曲等缺陷，导致几何特征成型失败。
在未加支撑的情况下，金属3D打印成型模具时，能够顺利成型的最大水道直接为8-10mm，为了保证可靠性和成功率，工业应用中通常设计最大孔径为8mm，这在一定程度上限制了随形冷却水路的冷却效率。尤其是面向汽车领域的大型随形冷却模具，其冷却质量和经济效益也会明显降低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法。解决了现有工艺复杂、冷却不均匀以及冷却效率低等不足和缺陷。
本发明的特点是自支撑结构以最大优化随形冷却水路的直径和增加水路的结构强度，防止随形冷却水路成型过程中出现材料坍塌。从而最大程度提升随形冷却水路的冷却效率，实现塑件均匀高效冷却，保证实际的生产效率和质量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，包括如下步骤：
步骤一，设计模具：
根据塑件的三维模型，对塑件的结构、形状、装配尺寸等技术要求进行分析，确定模具类型和总体尺寸结构；
步骤二，设计随形冷却水路：
根据外形尺寸设计冷却水道分布，保证其到模具表面的距离一致，从而确保模具的均匀冷却；采用模流分析软件分析模具的冷却效果，进而优化冷却水道的分布。
步骤三，设计自支撑结构：
在冷却水道内部添加支撑结构，并获得自支撑水道随形冷却模具的三维模型，将其保存为STL文件；
步骤四，获取切片数据：
将三维模型导入切片Magics软件中，设定好打印模具的摆放位置，按照设定层厚对模具进行切片处理，获得激光扫描路径并将其导入金属3D打印设备中；
步骤五，调试金属3D打印设备：
清理金属3D打印设备的成型腔，在成型腔中安装调平好成型基板并对基板进行预热，将金属粉末材料倒入供粉缸后关闭仓门；设定金属3D打印设备的成型工艺参数，对成型腔内排气并通入高纯氮气；
步骤六，打印制造：
金属3D打印设备开始打印，刮粉刀进行铺粉，激光按照切片数据对基板上的金属粉末进行逐层扫描打印；
步骤七，每打印完一层，成型基板下降一个铺粉层厚度，重复步骤六直至自支撑流道的随形冷却模具打印成型完成。
上述步骤一中，三维模型采用UG进行绘制，并将其保存为STL文件格式；模具底部与注塑机装配部分使用单元强度较高的金刚石网格结构，实现网格化减材，并且装配孔周围和模具外壁保留一定厚度的实体，以保证模具的强度。
上述步骤二中，设计冷却水道分布，是指利用Moldflow软件对塑件进行模流分析，确定积热区域并根据其形状特征进行随形冷却水路优化设计；在 Moldflow软件中模拟注塑生产，优化得到最佳的水路结构设计后，将构建的随形冷却水路三维模型保存为STL格式。
上述步骤三中，在冷却水道内部添加支撑结构，是指在Magics软件中对随形冷却水路添加自支撑结构；
所述支撑结构的立方体结构单胞支柱与水平面呈≥45°倾斜角，以便支撑结构的顺利成型；支撑结构的每个单元体由四个支柱交叉组成，同时在每个单元的交叉处设置中心球体以减少支柱交叉节点处的应力集中；支撑结构为金刚石结构、菱形结构体、八面体、十二面体等结构，在增大水路直径的情况下保证随形冷却水路的结构强度；此外，支撑结构在随形冷却水路中所占的体积和截面积均小于30％，以保证冷却液的顺利流通；同时，水路内部的支撑结构会对流体产生扰动，出现流体二次流的现象，有效地提高了水路的冷却效率。
上述步骤四中，在使用Magics软件进行切片处理时，设定切片厚度和金属3D打印设备的铺粉厚度一致，可以精准控制打印模具的层厚和设定的切片厚度相同，保证打印过程的准确性。
上述步骤五中，经过打磨和酒精清洗好的成型基板使用螺钉安装固定在成型基台上，并通过钢尺检验基板是否与成型基台保持水平，同时调整刮粉刀，使其底部与成型基板表面恰好接触；
根据打印零件的层数计算出打印所需的金属粉末量，倒入供粉缸粉末的量为打印所需的粉末两倍，以保证打印过程中粉末充足，再调整供粉缸中粉末高度使其与刮粉刀底部恰好接触；
设置基板的预热温度为160℃；预热基板可降低高温熔池与凝固区域之间的温度梯度，从而有效降低成型过程中模具的残余应力和开裂倾向，同时能显著减少缺陷含量；
金属3D打印过程中，扫描策略设置为Stripe扫描模式，Stripe宽度(L)均采用10mm；同一层中Stripe的扫描方向一致。层与层之间，Stripe扫描方向旋转67°，可以减少扫描方向的重叠次数，有利于提高成型件的致密性。
上述步骤七中，每打印完一层，成型基板下降一个铺粉层厚度具体是指：激光打印一层后，基板下降一个切片厚度的高度，供粉缸上升两个切片厚度的高度，以保证基板表面有充足的金属粉末。
上述步骤七中，随形冷却模具打印成型完成后，在成型腔中冷却至室温，再将整个随形冷却模具连同基板一起取下进行热处理；
利用线切割将随形冷却模具从成型基板上分离；线切割是指使用电火花线切割工艺；
所述热处理为时效处理、固溶处理或者固溶时效处理；
其中，时效处理工艺设定为490℃×6h；
固溶处理工艺设定为840℃×1h；
固溶时效处理设定为840℃×1h+490℃×6h。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明利用金属3D打印技术来实现自支撑流道的随形冷却模具制造。通过激光熔融对金属粉末熔化堆叠成型，可以直接成型出三维设计的随形冷却模具。相对于传统模具制造方法，本发明技术设计自由度高，能实现复杂的随形冷却水路制造；制造过程简便，能有效缩短模具研发制造时间；机械自动化水平高，减少劳动成本。
本发明根据零件结构的几何特征设计随形冷却水路，实现了注塑件内壁均匀冷却，解决了传统冷却水路因冷却不均匀出现翘曲变形等质量问题。
本发明在随形冷却水路的内部设计了自支撑结构，最大程度优化水路直径和结构强度，保证金属3D打印成型过程中水路的强度。最大程度增大随形冷却水路的直径，提高水路的冷却效率。
本发明在模具底部与注塑机装配部分使用强度较高的金刚石结构进行网格化减材，装配孔周围和模具外壁保留一定厚度的实体，在保证模具强度的情况下节省了粉末材料，实现轻量化制造。
作为本发明 发明更进一步的方案：所述内模芯体直接在外模体表面进行金属3D打印一体化成型，减少装配过程。
附图说明
图1为四斜柱球芯体支撑单胞结构示意图。
图2为金刚石结构体支撑单胞结构示意图。
图3为菱形结构体支撑单胞结构示意图。
图4为对角结构体支撑单胞结构示意图。
图5为立方体支撑单胞结构示意图。
图6为正八面体支撑单胞结构示意图。
图7为十二面体支撑单胞结构示意图。
图8为十字八面体支撑单胞结构示意图。
图9为八面体支撑单胞结构示意图。
图10为异相双四角台塔体支撑单胞结构示意图。
图11为截半八面体支撑单胞结构示意图。
图12为十字体支撑单胞结构示意图。
图13为八角点阵结构体支撑单胞结构示意图。
图14为大二十面体支撑单胞结构示意图。
图15为二十面体支撑单胞结构示意图。
图16为四斜柱球芯体三维模型。
图17为四斜柱球芯体单元主视图。
图18为四斜柱球芯结构体单元受力分析图。
图19为实施例中，自支撑流道随形冷却模具的杯子外观结构示意图。
图20为图3杯子内模芯体的螺旋水路结构示意图。
图21为螺旋水路中的支撑结构单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
本发明公开了一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，可通过如下步骤实现：
步骤一，设计模具：
根据塑件的三维模型,对塑件的结构、形状、装配尺寸等技术要求进行分析，确定模具类型和总体尺寸结构。
步骤二，设计随形冷却水路：
根据外形尺寸设计冷却水道分布，保证其到模具表面的距离一致，从而确保模具的均匀冷却。采用模流分析软件分析模具的冷却效果，进而优化冷却水道的分布。
步骤三，设计自支撑结构：
在冷却水道内部添加支撑结构，并获得自支撑水道随形冷却模具的三维模型，将其保存为STL文件。
步骤四，获取切片数据：
将三维模型导入切片Magics软件中，设定好打印模具的摆放位置，按照设定层厚对模具进行切片处理，获得激光扫描路径并将其导入金属3D打印设备中。
步骤五，调试金属3D打印设备：
清理金属3D打印设备的成型腔，在成型腔中安装调平好成型基板并对基板进行预热，将金属粉末材料倒入供粉缸后关闭仓门。设定金属3D打印设备的成型工艺参数，对成型腔内排气并通入高纯氮气，使成型腔内的氧含量低于0.6％。
步骤六，打印制造：
金属3D打印设备开始打印，刮粉刀进行铺粉，激光按照切片数据对基板上的金属粉末进行逐层扫描打印。
步骤七，完成一层打印后，成型基板下降一个铺粉层厚度，重复步骤六直到自支撑流道的随形冷却模具打印成型完成。
步骤八，打印完成后的模具在成型腔中冷却至室温后，将整个模具连同基板一起取下进行热处理，利用线切割技术将模具从成型基板上分离。
以下对上述步骤，作进一步说明：
步骤一中，随形冷却模具三维模型采用UG进行绘制，并将其保存为STL 文件格式。模具底部与注塑机装配部分使用单元强度较高的金刚石网格结构，实现网格化减材，并且装配孔周围和模具外壁保留一定厚度的实体，以保证模具的强度。
步骤二中，利用Moldflow软件对塑件进行模流分析，确定积热区域并根据其形状特征进行随形冷却水路优化设计。在Moldflow软件中模拟注塑生产，优化得到最佳的水路结构设计后，将构建的随形冷却水路三维模型保存为 STL格式。
步骤三中，在Magics软件中对随形冷却水路添加自支撑结构。所述的支撑结构的立方体结构单胞支柱与水平面呈≥45°倾斜角，以便支撑结构的顺利成型。支撑结构的每个单元体由四个支柱交叉组成，同时在每个单元的交叉处设置中心球体以减少支柱交叉节点处的应力集中。支撑结构可为比强度(强度和相对密度的比值)的金刚石结构、菱形结构体、八面体、十二面体等结构，在增大水路直径的情况下保证随形冷却水路的结构强度。此外，支撑结构在随形冷却水路中所占的体积和截面积均小于30％，以保证冷却液的顺利流通；同时，水路内部的支撑结构会对流体产生扰动，出现流体二次流的现象，有效地提高了水路的冷却效率。
步骤四中，使用Magics软件进行切片处理时，设定切片厚度和金属3D 打印设备的铺粉厚度一致，可以精准控制打印模具的层厚和设定的切片厚度相同，保证打印过程的准确性。
步骤五中，经过打磨和酒精清洗好的成型基板使用螺钉安装固定在成型基台上，并通过钢尺检验基板是否与成型基台保持水平，同时调整刮粉刀，使其底部与成型基板表面恰好接触。
步骤五中，根据打印零件的层数计算出打印所需的金属粉末量，倒入供粉缸粉末的量为打印所需的粉末两倍以保证打印过程中粉末充足，再调整供粉缸中粉末高度使其与刮粉刀底部恰好接触。
步骤五中，设置基板的预热温度为160℃。预热基板可以降低高温熔池与凝固区域之间的温度梯度，从而有效降低成型过程中模具的残余应力和开裂倾向，同时能显著减少缺陷含量。
步骤五中，金属3D打印工艺的扫描策略设置为Stripe扫描模式，Stripe 宽度(L)均采用10mm；同一层中Stripe的扫描方向一致。层与层之间，Stripe扫描方向旋转67°，可以减少扫描方向的重叠次数，有利于提高成型件的致密性。
步骤七中，激光打印一层后，基板下降一个切片厚度的高度，供粉缸上升两个切片厚度的高度，保证基板表面有充足的金属粉末。
步骤八中，热处理工艺包括时效处理、固溶处理、固溶时效处理。其中，时效处理工艺设定为490℃×6h；固溶处理工艺设定为840℃×1h；固溶时效处理设定为840℃×1h+490℃×6h。热处理完成后的随形冷却模具使用电火花线切割并进行打磨处理。
下面通过具体实施举例，对本发明作进一步说明。
如图19-21所示。针对水杯注塑生产设计了一种具有自支撑流道的随形冷却模具；
包括水杯芯体5、用于固定在模具上的装配孔1、与进水管相连接的进水口2、与出水管相连接的出水口3、沿着内模芯体壁向杯口螺旋前进的螺旋水路4。所述冷却水路横截面为圆形，直径为13mm，螺旋部分的水路具有自支撑结构，每个单元体由四个支柱交叉组成，在交叉中心处设置有球体。
上述自支撑结构单元体边长L为4mm，每个支柱上表面积为0.15mm2。立方体结构单胞的强度计算公式为
其中δunit为支撑强度、Sstrut为每个支柱的上表面面积、τm为剪切强度、L为单元体的边长、θ为支柱的倾斜角度。由于公式中θ、Sstrut、τm为定值，因此
对单元体进行等比例缩放不会改变其支撑强度。此单元体结构可以在增大水路直径的情况下保证水路的结构强度，使得在金属3D打印成型的过程中可以对水路悬垂结构起到支撑结构的作用，避免出现水路结构塌陷的情况，获得良好的成型效果。
上述自支撑结构随形冷却水路的制造方法中，所述金属粉末采用球形 18Ni300马氏体时效钢粉末，平均粒径约为42μm。
上述自支撑结构随形冷却水路的制造方法中，所述选区金属3D打印设备中采用的激光器为掺镱光纤激光器，光纤激光器的成型工艺参数波长为 1060-1100nm。成型工艺参数为：激光功率为150-385W、扫描速度为560-1560mm/s、层厚20-50μm。
综上所述，首先设计具有自支撑结构随形冷却水路的三维模型，该水路靠近模具表面呈螺旋状随形分布，水路内部设计网格支撑结构，支撑结构与水路内壁紧密贴合，为水路成型过程提供支撑，同时保证冷却水路的有效水流量。模具底部与注塑机装配部分使用金刚石网格结构，实现网格化减材。然后，将模型数据导入金属3D打印设备；最后选择合适材料，采用优化参数进行3D打印成型模具。这种内部带支撑结构的随形冷却水路，能够保证水路的结构强度，有效避免在成型过程中的结构坍塌，从而突破冷却水路最大可成型尺寸限制。进而实现模具的快速、高效和高质量冷却，提高生产效率和经济效益。
本发明3D打印(SLM工艺)设备：可采用德国EOS公司的EOS M290 SLM成型系统；当然不限于采用其他3D打印(SLM工艺)设备。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，设计模具
根据塑件的三维模型，对塑件的结构、形状、装配尺寸要求进行分析，确定模具类型和总体尺寸结构；
步骤二，设计随形冷却水路
根据塑件外形尺寸设计冷却水道分布，保证其到模具表面的距离一致，从而确保模具的均匀冷却；
步骤三，设计自支撑结构
在冷却水道内部添加支撑结构，并获得自支撑水道随形冷却模具的三维模型，将其保存为STL文件；
步骤四，获取切片数据
将三维模型导入切片Magics软件中，设定好打印模具的摆放位置，按照设定层厚对模具进行切片处理，获得激光扫描路径并将其导入金属3D打印设备中；
步骤五，调试金属3D打印设备
清理金属3D打印设备的成型腔，在成型腔中安装调平好成型基板并对基板进行预热，将金属粉末材料倒入供粉缸后关闭仓门；设定金属3D打印设备的成型工艺参数，对成型腔内排气并通入高纯氮气；
步骤六，打印制造
金属3D打印设备开始打印，刮粉刀进行铺粉，激光按照切片数据对基板上的金属粉末进行逐层扫描打印；
步骤七，每打印完一层，成型基板下降一个铺粉层厚度，重复步骤六直至自支撑流道的随形冷却模具打印成型完成。
2.根据权利要求1所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
步骤一中，三维模型采用UG进行绘制，并将其保存为STL文件格式。
3.根据权利要求2所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
步骤二中，设计冷却水道分布，是指利用Moldflow软件对塑件进行模流分析，确定积热区域并根据其形状特征进行随形冷却水路优化设计；在Moldflow软件中模拟注塑生产，优化得到最佳水路结构设计后，将构建的随形冷却水路三维模型保存为STL格式。
4.根据权利要求2所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
步骤三中，在冷却水道内部添加支撑结构，是指在Magics软件中对随形冷却水路添加自支撑结构；
所述支撑结构的立方体结构单胞支柱与水平面呈≥45°倾斜角，以便支撑结构的顺利成型；支撑结构的每个单元体由四个支柱交叉组成，同时在每个单元的交叉处设置中心球体以减少支柱交叉节点处的应力集中；
5.根据权利要求4所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
步骤四中，在使用Magics软件进行切片处理时，设定切片厚度和金属3D打印设备的铺粉厚度一致。
6.根据权利要求5所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
步骤五中，将成型基板使用螺钉安装固定在成型基台上，并通过钢尺检验基板是否与成型基台保持水平，同时调整刮粉刀，使其底部与成型基板表面恰好接触；
步骤五中，根据打印零件的层数计算出打印所需的金属粉末量，倒入供粉缸粉末的量为打印所需的粉末两倍，以保证打印过程中粉末充足，再调整供粉缸中粉末高度使其与刮粉刀底部恰好接触；
步骤五中，设置基板的预热温度为160℃；预热基板可降低高温熔池与凝固区域之间的温度梯度，从而有效降低成型过程中模具的残余应力和开裂倾向，同时能显著减少缺陷含量；
步骤五中，金属3D打印过程中，扫描策略设置为Stripe扫描模式，Stripe宽度(L)均采用10mm；同一层中Stripe的扫描方向一致；层与层之间，Stripe扫描方向旋转67°，可以减少扫描方向的重叠次数，有利于提高成型件的致密性。
7.根据权利要求6所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
步骤七中，每打印完一层，成型基板下降一个铺粉层厚度具体是指：激光打印一层后，基板下降一个切片厚度的高度，供粉缸上升两个切片厚度的高度，以保证基板表面有充足的金属粉末。
8.根据权利要求7所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
步骤七中，随形冷却模具打印成型完成后，在成型腔中冷却至室温，再将整个随形冷却模具连同基板一起取下进行热处理；
利用线切割将随形冷却模具从成型基板上分离。
9.根据权利要求8所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
所述热处理为时效处理、固溶处理或者固溶时效处理；
其中，时效处理工艺设定为490℃×6h；
固溶处理工艺设定为840℃×1h；
固溶时效处理设定为840℃×1h+490℃×6h。
10.根据权利要求4所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：
所述支撑结构为金刚石结构、菱形结构体、八面体或者十二面体结构，在增大水路直径的情况下保证随形冷却水路的结构强度；此外，支撑结构在随形冷却水路中所占的体积和截面积均小于30％，以保证冷却液的顺利流通。
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