模具的3D打印应用（二）

在本系列的3D打印模具第1部分中，我们概述了如何使用3D打印来制造用于注塑和压铸的模具。特别是对于小批量零件，增材制造（AM）更具成本效益。但是，在某些情况下，无论批次大小如何，该技术都可以提供3D打印独有的一些优势。3D打印的金属模具和模具的使用寿命比第一部分中讨论的塑料模具更长，尤其如此。

无论批量大小如何，3D打印模具所提供的最大好处是能够整合传统技术无法实现的共形冷却通道（遵循模具/型腔和型芯形状的空气通道）的集成能力。通道集成在模具中，因此可以更快地散热，从而减少了零件和工具所需的冷却时间。这样就可以打开模具或模具并注入更多材料以加快生产速度。

复杂冷却策略的传统方法。

就目前而言，模具通常是用CNC机器制造的，冷却通道通常在二次加工中钻出。结果，热量散发更加不均匀，从而导致内部应力和零件本身内部的翘曲。通过增加称为折流板，起泡器和等压线的功能，可以实现更复杂的冷却策略，这显然会增加零件的人工和成本。如有必要，可能必须分段制作工具才能合并更复杂的渠道。然后将模具/模具焊接在一起，这自然会缩短模具的寿命。

使用增材制造（AM），与消减技术相比，可以将冷却通道打印成任何形状，并更靠近零件。反过来，这可以改善零件的一致性，同时还可以减少冷却时间，从而减少了制造新零件所需的时间（称为“循环时间”）。缺陷零件更少也意味着更少的废料。

3D打印模具改善了注塑工艺的例子很多。捷克工具制造商Innomia 将周期时间减少了17％，最终也将产品上市时间从18天减少到13天。波兰模具和注塑公司FADO 将周期时间减少了30％。密歇根州的Linear Molds 报告说，其模具销售的20％至30％是3D打印的刀片。Oyonnax Cedex能够将其模具温度降低20°C，从而使冷却时间缩短20秒。Laser Bearbeitungs中心能够将其周期时间减少60％，报废率从50％减少到零。

3D打印的工具刀片具有共形冷却功能，可将周期时间缩短17％，同时提高了用于制造的扶手部件的质量。图片由麦格纳Innomia提供。

随形冷却通道的引入实际上仅仅是3D打印为模具制造带来好处的开始。使用仿真软件可以优化冷却路径，从而大大减少冷却时间和循环时间。可以进一步应用拓扑优化，生成设计和其他基于仿真的建模技术，以减少用于制造工具的材料，从而使零件更轻，更容易移动，并进一步缩短冷却时间。

使用Altair软件和PROTIQ打印的3D优化的模具。图片由Altair提供。

像PROTIQ和NXCMFG这样的公司专门致力于3D打印模具，模具和镶件的仿真工具和拓扑优化。在一个用例中，PROTIQ能够将模具的重量减少75％。这样可以避免用手抬起工具，而保形冷却将冷却时间从9或10秒缩短到3.2，冷却时间缩短了三分之一。

在上述情况下，使用的金属3D打印技术是金属粉末床熔合（PBF）。尽管不能具有相同的几何复杂度，但是定向能量沉积（DED）和混合制造系统（通常将DED与CNC结合使用）具有可以带到工具制造中的自身优势。

特别是，DED和使用DED的混合系统能够将不同的金属结合或将金属沉积到现有零件上。对于模具，这意味着要利用多种材料的物理特性。

DMG Mori的LASERTEC 3D混合机床可实现多种材料的应用和分级材料。

例如，混合动力机器制造商DMG Mori 讨论了通过3D打印由铜制成的模芯来制造压铸模具的方法，该模芯会很快散发热量，然后从工具钢中打印出外部模具，模具钢因其耐腐蚀性能而选择。

可替代地，可以制造一种模具，在其中将诸如钢的一种材料沉积到诸如铜的现有基础材料块上。由于铜的导热性，底座可以充当散热器，从而减少了冷却时间。最后，与PBF不同，DED可随时间用于修复模具。