1 引言
众所周知，模具作为“工业之母”，是制造业的重要基石，模具技术的进步能有效提升企业集团、国家关键行业的核心竞争力。为了满足消费者的需求，各企业不断推陈出新，并严控产品品质。随着产品更新换代速度加快，新产品生产效率和质量显得尤为重要，对模具的要求也随之提高。目前模具企业在产品变形和注塑周期等方面经常遇到技术瓶颈，通过改模等手段仍无法完全满足产品开发的需求，最终只能通过变更产品设计意图进行妥协，既导致新产品开发周期过长，也使外观、结构等不能完全符合市场需要。3D打印随形水路技术是3D打印技术在模具领域的工业化应用，可以减少注塑周期20％以上，并解决因冷却不均匀、模具温度过高等导致的烫伤、变形等品质问题。本文以具体案例，介绍3D打印模具随形水路技术在热流道模具中的应用。
2 3D打印技术基本原理
3D打印（3DP）又称增材制造（Additive Manufacturing，AM），是一种数字驱动的、加工材料不断积累成型的新型制造方式。目前的制造方式主要有三种，减材制造、等材制造和增材制造。减材制造是材料不断减少的过程，零件的成型是不断削减毛坯上的材料，比如车、铣、刨、磨、钻等，材料浪费严重。等材制造前后材料总量基本不变，比如铸、锻、焊等。增材制制造，是从无到有、逐层成型的材料不断增加的增材过程，材料利用率接近100％，是绿色环保的新型制造方式。
3D打印的基本原理是从离散、堆积到成型：首先将所要制造的零件进行离散化，将三维的立体数据切割成二维的平面数据，再将其离散为一维的线性数据；然后将材料沿着线性数据挤出或烧结或熔融，从线性实体材料堆积成平面实体材料，继而堆积成三维实体。3D打印技术的整个制造过程是数据驱动的，因此，三维模型的设计决定了最终产品的形状与结构。
3D打印的基本流程，是建立三维模型、将模型按层进行切片，再将切片数据输入3D打印机进行逐层打印，最终得到与三维模型完全一致的产品实物。目前3D打印可用材料为金属、尼龙、树脂、陶瓷等，在模具、医疗、汽车、航空航天、军工等领域有着广泛的应用。
图1 3D打印流程
3 3D打印技术对模具冷却系统的变革
3D打印技术能够制造出传统模具加工手段无法制造的随形水路，可以减少注塑冷却时间，减少注塑件变形量，减少因冷却效果差导致的烫伤、黑云黄云等产品缺陷，极大地提高企业产能和产品质量，对制造业的长期发展具有重要的战略意义。
3．1产品注塑周期和产品变形影响因素分析
温度控制不良，是产品注塑周期长和产品变形的主要因素。
（1）影响产品注塑周期的因素有注射保压时长、锁模、冷却、开模等等。其中冷却时间是用时最长的，大约占用整个产品注塑周期60％至70％的时间。因此，冷却时间的减少是产品注塑周期缩减的重要方法手段。
（2）影响产品变形的因素也有很多，其中因冷却不均匀导致的产品各部分收缩速度不一致，是产品变形的最大影响因素。前后模冷却速度不一致、边角冷却困难等因素，易使产品各部分收缩率不同，导致翘曲、凹陷等变形缺陷，影响产品外观和产线装配。
（3）影响产品烫伤、黑云黄云等缺陷的因素，主要是模具冷却效果差，导致最高温度过高，超过了材料的耐受温度。
3．2 随形水路
根据以上分析，良好的冷却效果是优化注塑周期和产品质量的重要保障。模具冷却主要依赖于冷却水路，因此，水路的优化是核心因素。传统的水路仅能加工成直线型，与产品之间的距离比较远，且距离不均匀，因此对于产品的冷却效果不是最优的。3D打印随形水路技术，打印出的水路可以是任意结构形状、任意截面形状的，可以实现模具中水路与产品的距离最小、最均匀的分布，达到最优的冷却效果。图2为3D打印随形水路，（a）为水路镶件，（b）展示了该镶件中的水路位置和走向。
目前国内利用3D打印技术制造随形水路镶件已实现小规模应用，有部分企业在尝试使用3D打印技术打印模具零件，实现传统工艺无法加工的内部复杂的随形冷却水道，以提高精密模具的冷却均匀性和效率。越来越多的模具企业和注塑生产厂家引进3D打印随形水路技术并不断优化，为我国制造业的技术进步和发展贡献了力量。
图2 3D打印随形水路
4 3D打印技术与热流道技术的结合
热流道技术是缩短注塑周期、节省材料的优良手段。热流道模具在每次注射完成后，流道胶体在加热装置的加热下并不会凝固，因此产品脱模不需要脱出流道水口，在下个注塑周期的起始，注射流道依然贯通。废料热量及时排除，浇道系统冷却不受限，冷却时间仅受产品冷却影响，所以注塑周期有一定的缩减。3D打印技术可以大幅减少产品冷却时间，因此，热流道技术与3D打印技术的结合可以进一步降低注塑周期。
3D打印随形水路技术可以使冷却水路布置在产品表面附近，大幅降低产品冷却时间，使生产周期进一步缩减，提高机器效率。以化妆品透明盖的热流道模具为例，图3为3D打印随形水路与传统水路的设计对比。传统模具（a）中的水路不能完全贴合产品周边位置，而且此类倒扣结构的产品，内部范围狭小，水路无法进行布置；3D打印随形水路模具中的水路，可以设计成螺旋状，既能布置在狭小空间，又能贴合产品周边，实现均匀、快速冷却。可以直观看出，3D打印随形水路设计更为合理。
图3 水路设计对比
3D打印随形水路的作用主要体现在成型周期的缩减，图4为产品成型周期的对比：使用传统的模具冷却水路时，零件达到顶出温度的时间为58s，而使用3D打印随形水路时，零件达到顶出温度的时间降低到28s。以开模时间5s计算，则成型周期从63s降低到35s，降低幅度约为48％，表明3D打印随形冷却水路的冷却效率提升幅度巨大。
图4 顶出时间对比
3D打印随形水路可极大降低模具和产品的最高温度，同时各位置温度极为均匀。图5为传统模具与3D打印随形水路模具的模温对比，可知传统模具的公模镶件温差为38℃，而3D打印随形水路模具相同的公模镶件温差仅为1℃，同比降低37℃。图6为产品温度对比，可知传统模具的公模镶件处的产品温差为47℃，而3D打印随形水路模具在相同位置公模镶件处的产品温差为13℃，同比降低34℃。模温和产品温度上的对比，表明3D打印随形水路的冷却均匀性极好。
图5 模温对比
图6 产品温度对比
均匀的冷却效果极大减少了剪切热效应，可以一模生产更多产品而不会变形。传统模具制造化妆品透明盖仅能保证一模四穴的产品质量，继续增加穴口将会因冷却不良等问题导致产品变形严重。利用3D打印随形水路技术后，可以在保证质量的同时，从一模四穴提升至一模十六穴，加上注塑周期48％左右的缩减，故综合产能可提高约五倍。图7（a）为一模十六穴模具，（b）为其产品。
图7 一模十六穴
5 结束语
3D打印是绿色环保的数据驱动化增材制造技术，3D打印在模具领域的应用，是模具技术上的重大突破，有着极为重要的现实意义。3D打印技术在热流道模具上的应用实例表明，3D打印技术可制造出带有随形水路的模具镶件，保证注塑冷却均匀、快速，缩短注射成型周期约48％，降低塑件变形风险，在提高塑件质量的同时，可以通过提高模具穴道数量带来数倍的产能提升。
