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然而這一應用在實際推廣中所面臨的挑戰(zhàn)之一是模具制造商易于感知到的制造成本較之傳統(tǒng)模具有所上升，但隨形冷卻水路為整個注塑生產周期所帶來的附加價值容易被用戶所忽略。有關3D打印隨形冷卻模具的價值，3D科學谷在《3D打印模具的價值怎么衡量？》一文中進行了分析。
同樣的挑戰(zhàn)也存在于壓鑄模具3D打印隨形冷卻水路的應用中。北美壓鑄模具制造商Exco Engineering在大型汽車零件壓鑄模具制造中應用了3D打印隨形冷卻水路，他們利用3D打印隨形冷卻水路鑲件克服現有模具在壓鑄過程中所存在的熱失衡問題，先后克服了3D打印模具鑲件材料，建立了設計法則，并對3D打印模具的制造成本以及為汽車零件壓鑄生產所帶來的價值進行了衡量。
本期，3D科學谷將分享Exco 對壓鑄模具3D打印隨形冷卻水路的應用探索，通過這一案例洞悉3D打印技術在汽車零件壓鑄模具制造中的應用挑戰(zhàn)、應用價值。
Exco 3D打印壓鑄模具隨形冷卻鑲件。來源：Modern Machine Shop
設計、材料、工藝，全面探索3D打印隨形冷卻應用
Exco 是一家高壓壓鑄模具制造商，其客戶包括北美三大汽車制造商。Exco 生產幾種關鍵汽車零件的壓鑄模具，包括發(fā)動機缸體模具，分動器模具，儀表盤和車身面板模具，車輪以及發(fā)動機支架模具。Exco交付給客戶的某些模具，例如V8發(fā)動機缸體模具，可能重達數十噸。
Exco交付給客戶的壓鑄模具。來源：AM
Exco生產的典型壓鑄模具由多個零件組成，其中一些零件需要復雜的機械加工才能實現復雜的功能，例如穿線和冷卻水路。模腔鑲件就是其中一個很好的例子，由于幾何形狀復雜，模腔鑲件需要單獨進行加工，在完成后被插入模具的凹槽中。雖然將鑲件獨立加工，可以使切削刀具在加工時接近零件的外表面，但受限于機械加工方式，鑲件內部的冷卻水路仍限于基本的線性形狀。這將會導致在鑄造中和鑄造后模具冷卻過程中的熱失衡，進而為零件鑄造帶來一些問題。
Exco團隊通過熱應力模擬和實際測試，對粉末床激光熔化3D打印技術在壓鑄模具制造中應用進行了多年的研究，在這一過程中，他們逐漸找到了冷卻水路的增材制造設計經驗法則，并找到了適合的打印材料與改善打印質量的方式。
其增材制造部門還對3D打印壓鑄模具在下游的應用進行了研究，包括使用3D打印的壓鑄模具鑄造汽車動力傳統(tǒng)系統(tǒng)、車身和結構零部件。在壓鑄工藝中，熔融金屬在高壓下被壓入模具的型腔，這一過程對于金屬3D打印模具來說是一種極為惡劣的工作環(huán)境。
在模具冷卻水路的設計方面，Exco 團隊通過3D打印技術實現了壓鑄模具冷卻水路設計的突破。典型鑲件冷卻通道設計的經驗法則是，通道距壓鑄模具表面不小于0.75英寸（1.905厘米），小于這個距離都將面臨失敗。然而，熱力學和機械仿真驗證以及3D打印技術，使得Exco團隊采用隨形冷卻通道突破這一設計極限，縮小了冷卻通道與壓鑄模具表面的距離。
熱圖顯示了常規(guī)（線性）冷卻水路與3D打印隨形冷卻水路相比所產生的巨大溫差。來源：AM
Exco 在3D打印隨形水路鑲件開發(fā)中遇到了材料方面的挑戰(zhàn)。以往使用的模具標準材料H13工具鋼在粉末床熔化增材制造工藝中表現不佳。使用H13工具鋼材料制造的部分3D打印模具零件會產生破裂并充滿氣孔，當Exco在20毫秒內以13,000 PSI的壓力、水線距離表面1毫米的條件下注入金屬時，如果發(fā)生水線破裂，將帶來很大的安全隱患。即使在增材制造過程中正確的進行了設備預熱，缺陷也會持續(xù)存在。其中的原因在于，H13合金鋼中的高碳含量會導致整個材料中形成微裂紋。
3D打印馬氏體時效鋼專有熱處理工藝。來源：AM
對于材料中存在的挑戰(zhàn)，Exco團隊找到的解決方案是用具有低碳含量的馬氏體時效鋼替代H13工具鋼，作為模具鑲件的3D打印材料。Exco還與研究機構合作，為3D打印馬氏體時效鋼創(chuàng)建了專有的熱處理工藝。根據Exco的驗證，結合適當的熱處理和時效工藝，馬氏體時效鋼的總體機械性能達到并超過了用于壓鑄的傳統(tǒng)工具鋼，同時保持了較高的尺寸穩(wěn)定性和低變形。Exco已經用馬氏體時效鋼材料制造了3D打印模具鑲件，其使用壽命超過了15萬次。
對于打印過程中存在的彎曲和翹曲問題，Exco 通過預應力CAD模型抵消在打印過程中發(fā)生的彎曲和翹曲。Exco后來購買了四激光器3D打印設備，其中四個400瓦光纖激光器在單獨的象限中運行，中心重疊區(qū)域為100毫米，在制造單個大型零件時，由于溫度更加穩(wěn)定，限制了零件整體變形情況。
大型汽車壓鑄模具中的熱平衡非常難以控制，這樣一現象不僅會影響性能，而且還會影響鑄造周期，報廢率和人工成本。對于3D打印在壓鑄模具制造中的應用價值Exco的體會是，增材制造-3D打印的壓鑄模具可以提供獨特的競爭優(yōu)勢，包括制造帶有隨形冷卻水路的壓鑄模具鑲件，這些3D打印水路比傳統(tǒng)水路更加貼近模具表面。帶有3D打印隨形冷卻水路的壓鑄模具在壓鑄制造時所需的循環(huán)時間減少，廢品率和人工成本都得以降低。
3D打印技術在壓鑄模具鑲件中的應用雖然使得制造成本提高了2-5倍，但在后續(xù)壓鑄生產環(huán)節(jié)中不僅能夠制造出勝過傳統(tǒng)模具鑄造出的零件質量，還節(jié)省了大量壓鑄時間，從整個壓鑄生命周期中來看，與傳統(tǒng)技術制造的鑲件相比，可以節(jié)省數千美元成本。
帶隨形冷卻水路的3D打印水套零件。來源：AM
值得一提的是，除了在壓鑄模具制造中的應用，Exco 還將3D打印隨形冷卻水路技術應用在了汽車發(fā)動機水套的制造中，希望通過3D打印技術克服傳統(tǒng)水套鑄造存在的問題，制造更高性能的發(fā)動機水套。
水套是發(fā)動機用于轉移熱能的零件，其實就是一只多孔水管，屬于難加工零件。傳統(tǒng)制造方式中，水套壓鑄模具的表面溫度變化可能高達220°華氏度，因此在鑄件的金屬注入階段經常會發(fā)生焊料積聚。拋光焊料所導致的機器停機，將產生昂貴的時間成本。除此之外，這些區(qū)域的疲勞易導致水套破裂，并導致發(fā)動機缸體本身的冷卻液和機油通道之間發(fā)生泄漏。
Exco 的其中一家汽車制造商用戶正在測試3D打印水套。在3D打印水套零件的表面附近包含一條水線，能夠大大降低溫度的變化，并限制焊料的形成。通過3D打印技術所實現的水套水線設計改進，將顯著提升水套性能。Exco 認為即使是以傳統(tǒng)水套5倍的成本來制造3D打印水套，在性能方面的提升也足以體現出3D打印水套的價值。
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