壓鑄（zhù）是一種（zhǒng）生（shēng）產（chǎn）複雜組件的有效方法，其特點是（shì）高功能集成，重量輕。這（zhè）一優點使（shǐ）得（dé）越來越多的汽車製造商使用這（zhè）一工藝。這樣的組件正在日益增多車身結（jié）構件中使用，主要是因為其能夠在降低產品重量，減（jiǎn）少燃料消耗和二氧化碳排放量方麵（miàn）做出顯（xiǎn）著貢獻。隨著產品（pǐn）尺寸和（hé）複雜（zá）程度以（yǐ）及需求的正日益增加，導致對壓鑄模具提出了更高（gāo）要求。增大的鑄件尺寸也增大了模具的負荷（hé），因為薄壁產品要達到所要求的產品（pǐn）質量，需以較高的模具充填速度和較高的壓射力為前提。同時又要求壓（yā）鑄周期短，使用壽命長。為了滿足這一要求，傳統（tǒng）的模（mó）具理念需要重新規劃，並進行優化。奧（ào）迪模具廠目標堅定的接受了這一挑戰。

 

     發揮模具潛能（néng），可以通過模具內部運水循環和（hé）噴塗工藝（yì），影響壓鑄模熱量的傳遞。因為采用優化後（hòu）的熱量管（guǎn）理，通過功能（néng）強大的模具內（nèi）部（bù）冷卻係統，能否實現高冷卻速率和（hé）較短（duǎn）的鎖模時間（模具充填和模具打開之間的時間）。此外，脫模劑和水的混合物的噴塗量被最小（xiǎo）化 – 在最好的情況下（xià），可以完全不用在模具表麵用水進行（háng）外部冷卻（què）。這可以顯（xiǎn）著減小（xiǎo）對模具鋼的（de）熱衝擊，從而有助於（yú）根本性的明顯延長模具使用壽命。

      在模具鑲件加工時，采用傳統方法，在多數情況下是無法采用貼近外輪廓的運水循環的，采用這一運水形式（shì），能使所謂的用純脫模劑濃縮物，而（ér）不是用水混合物的微噴（pēn）塗（tú）成（chéng）為可能。鑽出的運水（shuǐ）通道平行於模具輪（lún）廓走向，或做成運水孔（kǒng），使得大部（bù）分不同的（de）模具表麵不需要（yào）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的熱量節省潛能，必須用（yòng）新的創新工藝來取代（dài）模具，特別是對於熱性能來說（shuō）非（fēi）常關鍵的模（mó）具區域的傳統（tǒng）加工（gōng）方法，比如疊加生產工藝選（xuǎn）擇（zé）性激光（guāng）熔融。

選擇（zé）性激光熔融 “金屬3D打印”

      相對於傳統的製造工藝，疊加（jiā）生產（chǎn）工藝（通常稱為3D打印）一個（gè）決定性的優勢在（zài）於較高的外（wài）形設計自由度。3D打印技術可以加工複雜的（de）組件，比如通過切削，打火花或是（shì）鑽孔技術無（wú）法生產或需投入很高成本（běn）生產的，帶空穴的或是結構非常精細的產品。因此這一工藝目前也同樣（yàng）應用於帶（dài）配合外形輪廓（kuò）的內部（bù）運水循（xún）環（huán）的模具組件的加工。

      在進行選擇性激光熔融時，要生產的工件用鋼（gāng）粉逐層建造（圖1）。首先在一塊建造平台上通（tōng）過一台層壓機（jī）鋪（pù）上一層厚度（dù）為20至80微米的鋼粉層。用一道（dào）激光束將未來產品（pǐn）對應（yīng）區域的鋼粉選擇性地進行融化。然後建造平台向下移動和層厚相同（tóng）的距離，鋪上下一層粉末，重新融化。此過程（chéng）被重複，由此層層疊加最終造出所希望的產品。運用這一工藝，帶空腔和倒扣的複雜產品（pǐn）外形可以直接在3D圖檔（dàng）的基礎上進行（háng）製造。它也可以加（jiā）工不同的金（jīn）屬，包括熱作模具鋼。 

      在塑膠注塑領（lǐng）域，早已成功應用3D打印出的帶貼近外輪廓（kuò）運水的模具（jù）鑲件。一般情（qíng）況下，用（yòng）這一工藝來生（shēng）產小的分鑲件或是型（xíng）芯，以便局部（bù）熱節點（diǎn）在周期時間較短時能夠進行冷卻。在（zài）壓鑄領域對於疊加生（shēng）產模具鑲件，到目前為止經驗較少。由（yóu）於鋁液的（de）加工溫（wēn）度較高，與塑（sù）膠注塑相比，在壓鑄過程中模具鋼要承受更高的熱機械負載。由此產生的較高的模（mó）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（xué）侵蝕，使得從塑膠（jiāo）加工過程積累的經驗不能直（zhí）接照（zhào）搬。較高的應力水平要求壓鑄產品具有相應的與其負載相適（shì）應的設（shè）計，以及（jí）高堅固性的鋼料，以確保在壓鑄過程中功能可靠。

      熱作（zuò）鋼家族中典型的用於（yú）選（xuǎn）擇性激光熔融加（jiā）工的材料為1.2709。非（fēi）常低的碳含（hán）量和18%的高鎳含量，使得（dé）這一合金區別於傳統的模具（jù）鋼，比如1.2343。選擇（zé）這一替代（dài）合金係統的原因是熔融時（shí）較高的溫度梯度和在熔融（róng）過程中材料的冷（lěng）卻（què），以及（jí）相關聯的結構變化。低碳（tàn）鋼在加工過程中（zhōng）由於（yú）較小的殘餘應力，與含碳材料相（xiàng）比，開裂的風險會降到最低。

      熱作鋼（gāng）1.2709在加工完（wán）成後（hòu）可以進行熱處理。通過500-550℃溫度下數小時的加熱（rè）硬化（huà）可以（yǐ）達到52至55HRC的硬度。這一（yī）堅（jiān）固度是通過析出硬化實現的，這是以（yǐ）近乎無碳的鎳馬氏體（tǐ）為基體存在的金屬間相。

帶3D打印澆道的模具

      奧迪模具工廠設計，製（zhì）造和測試了一款用於生產彈簧腿套管，接近量產標準（zhǔn），帶完整的靠（kào）近外輪廓的運水（shuǐ）係統的模（mó）具（jù）。這一模（mó）具設計的前提（tí）是（shì），運水盡可能有效設計，使得在（zài）與微噴塗結合（hé）的（de）情況下，縮（suō）短周期時間。為了實現（xiàn）這一具有挑戰性的（de）任務，必須特別注意澆口（kǒu）區域的運水情況，因為壓力殘留和澆鑄流動對於薄壁結構產品，一般來說會形成最大（dà）程（chéng）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在這一方麵直接影響了整個澆鑄過程的周期時間。針對澆（jiāo）道，對不同的設計類型和加工工藝進行了評（píng）估，目（mù）的是盡可能達到最優的冷卻效果。最終（zhōng）的（de）決定（dìng）是通過3D打印來進行加工，以便能利（lì）用（yòng）運水設計時盡可能高的設計（jì）自由度。對於高熱負載的模具組建的設計，盡量借助模流分析工具Abaqus, FloEFD 和 Flow3D來進行。與流量相適應的設計和運水外形分布，通過CFD流體模擬和（hé）環狀熱模擬來進行優化，為了（le）分析熱機械負載要進（jìn）行FEM計算。設計方法，模擬結（jié）果和測試在下文（wén）中進行介紹（shào）。

流道設計和（hé）初步分析

      由於3D打印外形設計的自由度，內部的運水循環可以以各種形式來實現（xiàn）。循環可以以比如貫（guàn）通的流道的（de）形式（shì）來設計，進出接頭的調溫介質可以直（zhí）接灌注。這種情況稱之為串行的運水循環。另（lìng）外還有一種，進（jìn）水流（liú）道（dào）被分（fèn）成多個小流道（dào）出水，調溫介（jiè）質平行灌注。還有一種方（fāng）式是，運水被設計成所謂的冷（lěng）卻殼，模具表麵下方做成扁平空腔，大麵（miàn）積灌注，正如在模具組件中所介紹的那樣。對於這一設計理念，空腔（qiāng）中必須做足夠的支（zhī）撐（chēng），以便確保（bǎo）對抗澆鑄壓力所需的穩定性。此外，必須確保冷卻介質的均勻（yún）流動，因為流動死角區域能（néng）夠在模具中（zhōng）形成熱點，導致局部過熱。

      對流道不同的運水設計方案評估後，最終選擇了串行和平行（háng）運水流道的組合（hé），進行了流動優化。設計過程（chéng）得到流動模擬的支持。

      貫（guàn）通的（de）主運（yùn）水流道以螺旋（xuán）的形式蜿蜒貫穿澆道，其走向靠（kào）近外（wài）輪廓。在部分區（qū）域主流道被分成很小直徑的（de）分流道，平行流動（dòng），以適（shì）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（lún）廓的進行調溫，具備對抗過程負（fù）載所需的穩定性。主流道直徑（jìng）一致，平行流動分支的（de）橫截麵（miàn），按（àn）照（zhào）均勻高流速來進行設計。

      通（tōng）過（guò）模擬計算出，盡管有多處水流轉向，在澆道中由於流（liú）程長度而造成的壓（yā）力損失，被證明在適當範圍內，因此（cǐ）用目前的高壓水模溫機能夠保證（zhèng）足夠高的水流（liú）流量和較高的熱傳導係數。

      流量計算（suàn）需反複進（jìn）行，以便能夠確定根據實（shí）驗得出的運轉點，和在模擬工具中所存儲的模溫機泵（bèng）特性曲線。圖2展示的是運水流道中流速的一（yī）個例子。在所（suǒ）選擇的輸（shū）入數據的基（jī）礎（chǔ）上計算（suàn）出的流（liú）量為14.8 L/min。隨後真實（shí）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，進行循（xún）環熱模擬，以便能夠分析壓鑄（zhù）周期期間澆道內的溫度分布情況。為此將整套模具的一個（gè）截麵放在FEM模擬模型中進（jìn）行觀察，繪製壓鑄周期中的各（gè）個過程步驟的圖形（xíng）。這一計算需持續多個成型周期，以便能夠對工作溫度狀態下的溫度場進行評（píng）估。

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

 

      用傳統模型進行計算時，設定為帶噴塗過程和100秒的（de）周期時間，而3D打印（yìn）的澆道則用減少了20%的周期時（shí）間（jiān）80秒來（lái）進行（háng）模擬，由（yóu）於（yú）采用微噴（pēn）塗，可以免掉用水（shuǐ）來進行外（wài）部冷卻（què）。所（suǒ）述模擬的最重要的輸入數據已列在表格1中。圖3一（yī）並展示（shì）了這兩個模型的結果，可以（yǐ）看到（dào）所計算出（chū）的第12個澆（jiāo）鑄周期表麵溫度走勢（shì）情況。 

      這些所描述（shù）的熱（rè）模擬需要通過（guò）初步實驗的溫度檢測（cè）來（lái）進行（háng）驗證。這兩種澆道（傳（chuán）統的和激光熔（róng）融的）用（yòng）一台模溫機，從室（shì）溫開始，用最大發熱功率加（jiā）溫10分鍾，然後用最大冷卻（què）功率冷卻10分（fèn）鍾。這一過程中，用熱電偶記錄4個位置的表麵溫度。圖4展示了以測量位置2和4為例，所測得的表麵溫度。傳統與3D打印的澆道的溫（wēn）度走向對比（bǐ），可以看出（chū）靠（kào）近外輪（lún）廓的運水（shuǐ）係統的明顯優勢。

 

      可以看到，在各持續10分鍾的加熱和冷卻階段（duàn），3D打印（yìn）的流道的（de）溫度曲線走向（圖中的紅色曲線）比傳統產品明顯陡峭一些。這表明其具備非常（cháng）小的熱慣性，在壓鑄過程中將（jiāng）更好的散熱，這（zhè）也是進行微噴塗的基礎。另外可以看到，疊加工藝加工出的澆道上的點2和點（diǎn）4的表麵溫度非常接近，這就意味著（zhe），它的溫度分布是均（jun1）勻的。與此相比，傳統工藝生產的（de）產品（灰（huī）色曲線）不（bú）僅有超過20K的溫差，而且這兩個測（cè）量點的溫度走向曲線的斜（xié）率明顯不（bú）同。實際測量與模擬實驗得出的溫度的（de）一致性很好的（de）證明的模（mó）擬模（mó）型（xíng）的有（yǒu）效性。

壓鑄實驗（yàn）結果（guǒ）

      打印出的澆道裝（zhuāng）入帶貼近外輪廓的運水（shuǐ）係統的實驗（yàn）模具中，並在壓鑄生產中進行了測試。成功澆鑄出了（le）約1000件彈簧腿套管產品。這一過程中使用了微噴塗技術，每個壓鑄周期僅有幾毫升的脫模劑濃縮物以霧狀形（xíng）式噴塗到模具上。使用打印出的澆道（dào）的這一經驗被認為是（shì）大有前景的，也證實了熱模擬的結果。盡管免掉了通過噴灑水進行外部冷卻，鎖模時間與帶傳統噴塗過程的傳統（tǒng）模具運水相（xiàng）比，縮短了超過40%。相對應的，整個壓鑄（zhù）過程周期時間節省超過（guò）20%。

總結

      通過（guò）以上所介紹（shào）的研究和實驗，展示了在壓鑄模中使用3D打印的帶貼近外輪（lún）廓的運水係統的模具鑲件的潛力。盡管改用微噴塗技術（shù），在整個過程中成型周期時間卻能降（jiàng）低約20%。為了完全（quán）利用這種（zhǒng）靈活的，與表麵形狀相配合的運水流道的優（yōu）勢，設計過程必（bì）須依（yī）靠模（mó）擬（nǐ）模型的支持。這一點（diǎn）對於平行排列和呈平麵分布的（de）流道來說很重要，以確保能均勻灌注。

      1000件彈簧腿套管的澆鑄完成表明，鋼（gāng）料（liào）1.2709是適合用於壓（yā）鑄的。與傳統概念相比，做出關於壽命方麵的結論還需（xū）要更多的鑄件，以便能（néng）夠評估磨損現象和（hé）磨損進度。