壓（yā）鑄是一種生產複雜組件的有效（xiào）方法，其特點是（shì）高功能集成，重量輕。這一優點使得越來越（yuè）多的汽車製造商使用這一工藝。這樣的組件（jiàn）正在日益增多車身結構件中使用，主要是（shì）因為其能夠在降低產品重量，減少燃料消耗和二氧化碳排放量（liàng）方麵做出顯（xiǎn）著貢獻。隨著產品尺寸和複雜程（chéng）度以及需求的正日益增加，導致對壓（yā）鑄模具提出了更高要求。增大的鑄件尺寸也增大了模具（jù）的負荷，因為薄壁產品要達到（dào）所要求（qiú）的產品質量，需以較高的（de）模具充填速度和較高的壓射（shè）力為前提。同（tóng）時又要求壓鑄（zhù）周（zhōu）期短，使（shǐ）用壽命長（zhǎng）。為了滿足這一要求（qiú），傳統的模具理（lǐ）念需要重新規劃（huá），並進行優化。奧迪模具廠目標堅定的接受了這一挑戰。

 

     發揮模具潛能，可以通過模（mó）具內部運水循（xún）環和噴（pēn）塗工藝，影響壓鑄模熱量的傳遞。因為采用優化後的熱（rè）量管理，通過功能強大的模具內部冷卻係統，能否實現高冷卻速率和較短的鎖模時（shí）間（模具充填和模具打開之間（jiān）的時間）。此外，脫（tuō）模劑和水的混合物的噴塗量被最小化（huà） – 在最好（hǎo）的情況下，可以完全不用在（zài）模具表麵用水進行外部冷卻。這可以顯著減小對模具（jù）鋼的（de）熱衝擊，從而有助於根本性的（de）明（míng）顯延長模（mó）具使用壽命。

      在模具鑲件加工時，采用傳統方法，在（zài）多（duō）數情況下是無法采（cǎi）用貼近外輪廓的運水循環的，采（cǎi）用這一運水（shuǐ）形式，能使所（suǒ）謂的用純脫模劑濃縮物，而不（bú）是用水（shuǐ）混合物的（de）微（wēi）噴塗成為可能。鑽出的運水通（tōng）道平（píng）行於模（mó）具輪（lún）廓走向，或做成運水孔，使得大部分不同的（de）模具表麵不需要達到相應的高冷卻能力所要求的較小間距。為了完全利用優化過（guò）的熱量節省潛能，必須用新的創新工藝（yì）來取（qǔ）代模具，特別是對（duì）於熱性能（néng）來說非常關鍵的模具區（qū）域的傳統加工方法，比如疊加生產工藝選擇性激光熔融。

選（xuǎn）擇性激光熔融 “金屬3D打印（yìn）”

      相對於傳統的（de）製造工藝，疊加生產工（gōng）藝（通常稱為3D打印）一個（gè）決定性的優勢在於較高的外形設計自由度。3D打印技術可（kě）以加工複雜的組（zǔ）件，比如通過切削，打火花或是鑽孔技術（shù）無法生產或需投入很高成（chéng）本生產的，帶空穴的或（huò）是結（jié）構非常精細的產品。因此（cǐ）這一工藝目（mù）前也（yě）同樣應用於帶配合外形輪廓的內部運水循環的模具組件的（de）加工。

      在進行選擇性激光熔融時（shí），要生（shēng）產的工件用鋼粉逐層建造（圖1）。首先在一（yī）塊建造平台上通過一台層壓機鋪上一層厚度為20至80微米的鋼粉層。用一道激（jī）光束將未來產品對應區域的鋼粉選擇性地進行融化。然後建造平台向下移（yí）動和層厚相同的距離，鋪上（shàng）下一層粉（fěn）末，重新（xīn）融化。此過（guò）程被重複，由此層層疊加最（zuì）終造出（chū）所希望的產品（pǐn）。運用這（zhè）一工藝，帶空腔和倒扣（kòu）的複雜產品外形可以直接在3D圖檔的（de）基礎上進行製造。它也可以加（jiā）工不同（tóng）的金屬，包括（kuò）熱作模（mó）具鋼。 

      在塑膠注塑（sù）領域，早已成功應用3D打印出（chū）的帶貼近外輪廓運水的模具鑲件。一般情況下，用這一工藝來生（shēng）產小的分（fèn）鑲件（jiàn）或是型芯，以（yǐ）便局部熱節點在周期時間較短時能夠進行（háng）冷卻。在壓鑄領域對於（yú）疊加生產模具鑲件，到目前為止經驗較少。由於鋁液（yè）的加工溫度較高，與塑膠注塑相比，在壓鑄過程中模具（jù）鋼要（yào）承受更高（gāo）的熱機械負載。由此產生的較高的模具內部壓力以及其它磨損進程，比如通過熔融產生的衝刷和化學侵蝕，使得從塑膠加工（gōng）過程積累的經驗不能（néng）直接照（zhào）搬。較高的應力水平要求壓鑄產（chǎn）品具有相應的與其負載相（xiàng）適應的設計，以（yǐ）及高堅固性的鋼料，以確保在壓鑄過程中功能可靠。

      熱作鋼家族中典型的用於選擇性激光熔融加工（gōng）的材料為1.2709。非常（cháng）低的碳含量和18%的高鎳含量，使得（dé）這一合金區別於傳統的模具鋼，比如1.2343。選擇這一替代合金係（xì）統的原（yuán）因是熔融時較（jiào）高的溫度梯度和（hé）在熔融過（guò）程中材料的冷卻，以及（jí）相關聯的結構變化。低（dī）碳鋼在加工過程中由於較小的殘餘應力，與含碳材料相（xiàng）比，開裂的風險會降到（dào）最低。

      熱作鋼1.2709在（zài）加工完（wán）成後可以進行熱處理。通過500-550℃溫度下數小時的（de）加熱（rè）硬化可以達到52至55HRC的（de）硬度。這一堅固度是通過析出硬（yìng）化實現的，這是以近（jìn）乎無碳的鎳馬氏體為基（jī）體存（cún）在的金屬間相。

帶3D打印澆道的模具

      奧迪模具工（gōng）廠設（shè）計（jì），製造和測試了一款（kuǎn）用於生產彈簧腿套管，接近量產標準，帶完整的靠近外輪廓的運水係統的模具。這一模（mó）具設計的前提是，運水盡可能有效設計，使得在與微噴塗結合的情況下，縮短周（zhōu）期時間。為了實現這一具有挑戰性的任務，必須特別注意（yì）澆口區域的運水情況，因為壓力殘留（liú）和澆鑄流動對於薄壁結構產品，一般來說會形成（chéng）最大程度的材料累計，這需要最長時間的凝固和冷卻。因此運水係統的性能（néng）在這一方麵直接影響了整（zhěng）個澆（jiāo）鑄過程的周期時間。針對澆道，對（duì）不同的設計類型和加工工藝進行了評估（gū），目的是盡可能達到最優的冷卻效果（guǒ）。最終的決（jué）定是通過3D打印（yìn）來進行加工，以（yǐ）便能利用運水設計時盡可能高的設計自由度。對於高熱負載的模具組建的設計，盡量借助（zhù）模流分（fèn）析工具Abaqus, FloEFD 和（hé） Flow3D來進行。與流量相適應（yīng）的設計和運水外形分布，通過CFD流體模擬和環狀熱模擬來進行優化，為了分析熱機械負載要進行FEM計算。設計（jì）方法，模擬結果（guǒ）和測（cè）試在下文中進行介紹。

流道設計和初步分析

      由於3D打印外形設計的自由度，內（nèi）部（bù）的運（yùn）水循環可以以各（gè）種形式來實現。循環可（kě）以以（yǐ）比如貫（guàn）通的流道的（de）形式來設計，進出（chū）接頭的調溫介質可以直接灌注。這（zhè）種情況稱之為串行的運水循環。另外還有一種，進水流道（dào）被分成多個小流道出水，調溫介質平行灌注。還有一種方（fāng）式是，運水被設計成所謂的冷卻殼，模具表麵（miàn）下方做（zuò）成扁平空（kōng）腔，大麵積灌注，正（zhèng）如在模具組件（jiàn）中所介紹的那（nà）樣。對於這一設計理念，空（kōng）腔中（zhōng）必須做（zuò）足夠的支（zhī）撐，以便確保對抗澆鑄壓力所（suǒ）需的穩定性。此外，必須確保冷卻（què）介質的均勻流動，因為流動死角區域（yù）能夠在模（mó）具中形成熱點，導致局部過熱。

      對流道不同的運水設計方案（àn）評估後，最終選（xuǎn）擇了串行和平行運水（shuǐ）流（liú）道的組合，進（jìn）行了流動優化。設計過程得到流（liú）動（dòng）模擬的支持。

      貫（guàn）通的主運水流道以（yǐ）螺旋的形式蜿蜒貫穿澆道，其走向靠（kào）近外輪廓。在部分區域主流道被分成很小直徑（jìng）的分流道（dào），平行流動，以適應組件的局部狀況。通過這一設計可以確保，澆道能被均勻，接近外輪廓的進行調溫，具備（bèi）對抗過程負載所需的穩定性。主流道直徑一致，平行（háng）流動分支的橫截麵，按照均勻高流速來進行設計。

      通過模擬計算出（chū），盡管有多處水流轉向，在澆道中由於流程長度而造成的壓力損失，被證明在適當範（fàn）圍內（nèi），因此用目前的高壓水模溫機能夠保（bǎo）證足夠高的水流流量（liàng）和（hé）較高的（de）熱傳導係數。

      流（liú）量計（jì）算需反複進行，以便能夠確定根據實驗得出的運轉點，和在模擬工具中所存儲的模溫機泵特性曲線。圖2展示的是運（yùn）水流道中流速的一個例子。在所選擇的輸入數據的基礎上（shàng）計算出的流量為14.8 L/min。隨（suí）後真實產品的測量值證實了這一模擬結果。在實驗中，測得的流量為15.1 L/min。

 

      此外（wài），進行循環熱模擬，以便能夠分析壓鑄周期期間澆道內（nèi）的溫度分布情況。為此將整（zhěng）套模（mó）具的一個截麵放在FEM模擬模型中進行觀（guān）察，繪製（zhì）壓（yā）鑄周期中的各個過程（chéng）步驟的圖形。這一計算（suàn）需（xū）持續多個成型周期（qī），以便能夠對工作溫（wēn）度狀（zhuàng）態下的溫度場進行評估。

      作為比較的基礎（chǔ），還增加了一套用於帶運水（shuǐ）孔和螺旋鑲件的傳統澆道的計算模型。得出的結果與打印出的（de）澆道進行了對比。

 

      用傳統（tǒng）模型（xíng）進行計算時，設定為帶噴塗過程和（hé）100秒的周期時間，而3D打印的澆道則用減少（shǎo）了20%的周期時間80秒來進行模擬，由於采用微噴塗，可以免掉用（yòng）水來進行外部冷（lěng）卻。所述（shù）模擬的（de）最重要的輸入數據已列在表格1中。圖3一（yī）並展示了這兩個模（mó）型的結果（guǒ），可以看到所計算出的第12個（gè）澆鑄周期表麵溫度走勢情況。 

      這些所描述的熱模擬需要通過初步實驗的溫度檢測來進（jìn）行（háng）驗證。這兩種澆道（傳統的和激光熔融的）用一台模溫機，從室溫開始，用最大發熱功（gōng）率加溫10分鍾，然後用最大冷（lěng）卻功率冷卻（què）10分鍾。這一過程中，用熱電偶記錄4個位置的表麵溫度。圖（tú）4展示了以（yǐ）測量位置（zhì）2和4為例，所測得的表麵溫度。傳統與（yǔ）3D打印的澆道的溫度走向對比，可以看出（chū）靠近外輪廓的運水係統的明顯優勢。

 

      可以（yǐ）看到，在（zài）各持續（xù）10分鍾的（de）加熱和（hé）冷卻階段，3D打印的（de）流道的溫度（dù）曲線走向（圖中（zhōng）的紅色曲線）比傳（chuán）統（tǒng）產品明顯陡峭一些。這表明（míng）其具備非常（cháng）小的熱（rè）慣性，在壓鑄過程（chéng）中將更好的散熱，這也是（shì）進行微噴塗的基礎。另外可以看到，疊加工藝加工出的澆道上（shàng）的點2和點4的表麵溫度非常（cháng）接近，這就（jiù）意味著（zhe），它的溫（wēn）度（dù）分布是均勻的。與此相比，傳統工藝生產的（de）產品（灰色曲線）不僅有超過20K的溫差，而且這兩（liǎng）個測量點的溫（wēn）度走向曲線的（de）斜率明顯不同。實際測（cè）量與模擬實驗得出的溫度（dù）的一致性很好的證明的模擬模型的有效性。

壓（yā）鑄實驗結果

      打印出的（de）澆道裝入帶貼（tiē）近外（wài）輪廓的運水係（xì）統的實驗模具中，並在壓鑄生產（chǎn）中進行了測試。成功澆（jiāo）鑄出了約1000件（jiàn）彈簧腿套管產品。這一過程（chéng）中使用了（le）微（wēi）噴塗技術，每個壓鑄周期僅有幾毫（háo）升的脫（tuō）模劑（jì）濃縮物以霧狀形式噴塗到模具上。使用打印出的澆道（dào）的這（zhè）一經驗被認為是大有前景的（de），也證（zhèng）實（shí）了熱模擬的結果。盡管免掉了通過噴灑（sǎ）水進行（háng）外部冷卻，鎖模時間與帶傳統噴塗過程的傳統模具運水相比，縮短了超過40%。相對應的，整個（gè）壓鑄過程周期時（shí）間節省超過20%。

總結

      通過以上（shàng）所介紹的研（yán）究和實驗（yàn），展示了在壓鑄（zhù）模中使用3D打印的帶貼近外輪廓的運水（shuǐ）係（xì）統的模（mó）具鑲件的潛力。盡管改用微噴塗技術，在整個過程中成型周期時間卻（què）能降低約20%。為了完全利用這種靈活的，與（yǔ）表麵形狀相配合的運水流道的優勢（shì），設計過程必（bì）須依靠模擬模（mó）型的支持。這一點對於平行排列和呈平麵分（fèn）布的流道來說很重（chóng）要，以確（què）保能均勻灌注。

      1000件彈簧腿套管的澆鑄完成表明，鋼料1.2709是適合用（yòng）於壓鑄的。與傳統概念相比，做出關於壽命（mìng）方麵的結論還（hái）需要更多的鑄件（jiàn），以便能夠評（píng）估（gū）磨損現象和磨損進度。