壓鑄是一種（zhǒng）生產複雜（zá）組件的有效（xiào）方法（fǎ），其特點是高功能集成，重量輕。這一優點使得越來越多的汽車製造商使用這一工藝。這樣（yàng）的（de）組件正在日益增多車身（shēn）結構件中使（shǐ）用（yòng），主要是因為其能夠在降低產品重量，減少燃料消耗和二氧化碳（tàn）排放量方麵做出顯著貢獻。隨著產品尺寸和複雜程度以（yǐ）及需求的正日益增加，導（dǎo）致（zhì）對壓鑄模具（jù）提出了更高要求。增大的鑄（zhù）件尺寸也增大了模具的負荷，因為薄壁產品要達（dá）到所要求的產品質量（liàng），需以（yǐ）較高的模具充填速度和較高的壓射力為前提。同時又要求壓鑄周期短，使用壽命長。為了滿足這一要求，傳統的模具理念（niàn）需要重新規劃，並進行優化。奧迪模具（jù）廠目標堅（jiān）定的接受了這一挑戰。

 

     發揮模具潛能，可（kě）以通過模具內部（bù）運（yùn）水循環和噴塗工藝，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化 – 在（zài）最好的情況下（xià），可以完全不用（yòng）在（zài）模具表麵用水進行外部冷（lěng）卻。這可以顯著減小對模具鋼的（de）熱衝擊（jī），從而有助於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（kuò）的運水循環的，采用（yòng）這一運水形式，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塗成為可能（néng）。鑽出的（de）運水通道平行於模具輪廓走向，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的熱量節省潛能，必須用新的創新（xīn）工藝來取代模具，特別是對於熱性能來（lái）說非常關鍵的模具區域的傳統加工（gōng）方（fāng）法，比如疊加生（shēng）產（chǎn）工藝選擇性激光（guāng）熔融。

選擇性（xìng）激光熔融 “金屬3D打印”

      相對於傳統（tǒng）的製造工藝，疊加生產工藝（通常稱為3D打印（yìn））一個決定性的優勢在於較高的外形設計自由度。3D打（dǎ）印技術可以加工複雜的組件，比如通過切（qiē）削，打火花或是鑽孔技術無法生產（chǎn）或需投入很高成（chéng）本生（shēng）產的，帶空穴的或是結構（gòu）非常精細的產品。因此這（zhè）一工藝目前也同樣應（yīng）用於帶配合外（wài）形輪廓的內部運（yùn）水（shuǐ）循環的模具組件的加工（gōng）。

      在進行選擇性激光熔融時，要生產的工件用鋼粉逐層建造（圖1）。首先在一塊（kuài）建造平台上通過一台層壓機鋪上（shàng）一層厚度為（wéi）20至80微米的鋼粉層。用（yòng）一道激光束將未來產品對應區域的鋼粉選擇性地進行融化。然後（hòu）建造平台（tái）向下移動和層厚（hòu）相同的距（jù）離（lí），鋪上下一層粉末，重新（xīn）融化。此過程（chéng）被重複（fù），由此層層疊加最終造出（chū）所（suǒ）希望的產品。運用這一工藝，帶空腔和倒扣的複雜產品外形可以直接在3D圖檔的基礎上進行製造。它也（yě）可（kě）以加工（gōng）不同的金屬，包括熱作模（mó）具鋼。 

      在塑膠注塑領（lǐng）域，早已（yǐ）成功應用3D打印出的帶貼（tiē）近外輪（lún）廓運水的模具鑲件。一般（bān）情況下，用這一工藝來生產小的（de）分鑲件或是型芯，以（yǐ）便局部熱節點在周期時間較短時能夠進行（háng）冷卻。在（zài）壓鑄領域對於疊加生產模具鑲件，到目前為止經驗（yàn）較少。由於鋁（lǚ）液的加工溫度較高，與塑膠注塑相比，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具內（nèi）部壓力以（yǐ）及其它磨損進（jìn）程，比如通過熔融產生的衝刷和化學侵蝕，使得從塑膠加工過程積（jī）累的（de）經驗不能直接照搬。較高的應力水平要求壓鑄產品具有相應的與其負（fù）載相適應的設計，以及高堅固性的鋼料，以確保在壓鑄過程中功能可靠。

      熱作鋼家族（zú）中典型的（de）用於選擇性激光熔融加工的材料為1.2709。非常低（dī）的碳含量和（hé）18%的高鎳含量，使（shǐ）得（dé）這一合金（jīn）區別（bié）於傳統的模具（jù）鋼（gāng），比（bǐ）如1.2343。選（xuǎn）擇這一（yī）替代合金（jīn）係統的原因是熔融時較高的溫度梯度和在（zài）熔融過程中材（cái）料的冷卻，以及相關聯的結構（gòu）變化。低（dī）碳鋼在（zài）加工過程中由於較小的殘餘應（yīng）力，與含碳材料相（xiàng）比，開裂的風險會降到最（zuì）低。

      熱（rè）作（zuò）鋼1.2709在加工完成後可以進行熱處理。通過500-550℃溫度下數小時的加熱硬化可以達到52至55HRC的硬度。這一堅固度是通過析出（chū）硬化實現的，這是以近乎無（wú）碳的鎳馬氏體為基體存在的金屬（shǔ）間（jiān）相。

帶3D打印澆道的模具

      奧迪模具（jù）工廠設計，製造和測試了一款用於（yú）生產（chǎn）彈簧腿套管，接近量產標準，帶完整的靠近（jìn）外輪廓的運（yùn）水係統的模具。這一模具設計的前提是（shì），運水（shuǐ）盡可能有效設計，使得在與微噴（pēn）塗結（jié）合的情（qíng）況下，縮短（duǎn）周期時間。為（wéi）了實現這一具有挑（tiāo）戰性的（de）任務，必須（xū）特別注（zhù）意澆（jiāo）口區域的運水情況，因為壓力殘留和澆鑄流動對於薄壁結構產品，一（yī）般來說會形成最大程度的（de）材料累計，這需要最（zuì）長時間的凝固（gù）和冷卻。因此運水係統的性能在這一方麵直接影（yǐng）響（xiǎng）了整個澆鑄（zhù）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估，目的是盡（jìn）可能達到最優的冷卻效果。最（zuì）終的決定是通過3D打印（yìn）來進行加工，以便能利用運水設計時盡（jìn）可能高的（de）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（tōng）過CFD流體模擬和環狀熱模擬來（lái）進行優化，為了分析熱機械（xiè）負載要進行FEM計算。設計方法，模（mó）擬結果和測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，內部的運（yùn）水循環可以以各種形式來實（shí）現。循環可以以比如貫通的流道的形式來設計，進出接頭的調溫介（jiè）質可以直接灌注。這種情況（kuàng）稱之為串行（háng）的運水循環。另外（wài）還（hái）有一種，進水流道被分成多個小流道出水（shuǐ），調溫介質平行灌注。還（hái）有一種（zhǒng）方式是，運水被設計成所謂的冷卻殼，模具表麵下方做成扁平（píng）空腔（qiāng），大麵積灌注（zhù），正如在模具組件中所介（jiè）紹的那樣。對於這一設計理念，空腔中必須做足夠的支撐（chēng），以便確保對抗澆鑄壓力所（suǒ）需的穩（wěn）定性。此外，必須（xū）確保冷卻介質的（de）均勻流動，因為流動死角區域能夠在模具（jù）中形成熱點，導致局部過熱。

      對流道（dào）不同的運水設（shè）計方案評（píng）估後，最終選擇了串行（háng）和平行運水流道的組合，進行了流動優化。設計（jì）過程得到流動模擬的（de）支持。

      貫通（tōng）的主運水（shuǐ）流道以螺旋（xuán）的形式蜿蜒貫穿澆道，其走向靠近外輪廓。在（zài）部分區域主流道被分成很小直（zhí）徑的分流（liú）道，平行流動，以適應（yīng）組件（jiàn）的局部狀況。通過這一設計可以確保（bǎo），澆道能（néng）被均勻，接近外（wài）輪（lún）廓的進行調溫（wēn），具備對抗過程負（fù）載所需的穩定性。主流道直（zhí）徑一致，平行流動分支（zhī）的橫截麵，按照均勻高流（liú）速來進行設計。

      通（tōng）過模擬計算出，盡管（guǎn）有多處水流轉向，在澆道中由於流（liú）程（chéng）長度而造成的壓力損失，被證明在（zài）適當範圍內，因此用目前的高壓水模溫機（jī）能夠保證足夠高（gāo）的水流流量和較高的熱傳導係（xì）數。

      流量計算需反複進行，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（shuǐ）流道（dào）中流速的一個例子。在所選擇的輸入數據的基（jī）礎（chǔ）上計算出的流量為14.8 L/min。隨後真實產品的測量值證（zhèng）實了這一模擬結果。在實驗中，測得的（de）流量為15.1 L/min。

 

      此外，進行循環熱模擬，以便能夠分析壓鑄周期期間澆道內的溫度（dù）分布情況。為此將整套模（mó）具的一個截麵放在（zài）FEM模擬模型中進行觀察，繪製（zhì）壓鑄周期（qī）中的各個過程步驟的圖形。這一計算需持（chí）續多個成型周期，以便能夠對工作溫度（dù）狀態下的溫度場進行評估。

      作為比較的基礎，還增加了一套用於帶運水孔和螺旋（xuán）鑲件的傳（chuán）統澆道的計算模（mó）型。得出的結果與打印出的澆（jiāo）道進行了對比。

 

      用（yòng）傳統模型進行計算時，設定為帶噴塗過（guò）程和100秒的周期時間，而3D打（dǎ）印的澆道則用減（jiǎn）少了（le）20%的周期時間80秒來進行模擬，由（yóu）於（yú）采用微噴塗，可以免（miǎn）掉用水來進行（háng）外部冷卻。所述模擬的（de）最（zuì）重要的輸（shū）入數據已（yǐ）列在表格1中。圖3一並（bìng）展示了這（zhè）兩（liǎng）個模型的結果，可以看到所計算出的第12個澆鑄（zhù）周（zhōu）期表麵溫度走勢情況。 

      這些所描述的熱模擬（nǐ）需要通過（guò）初步實驗的溫度檢測來進行驗證（zhèng）。這兩種澆道（傳統的和激光熔融的）用一台模溫機，從（cóng）室溫開始，用最大發熱功率加溫10分鍾，然後用最大冷卻功率冷卻10分鍾。這一過程中，用熱（rè）電偶記錄4個位置的表（biǎo）麵溫度。圖4展示了（le）以測量位置2和4為例，所測得（dé）的表麵溫度。傳統與3D打印的澆（jiāo）道的溫度走（zǒu）向對比，可（kě）以看出靠近外輪廓的運水係統的明顯優勢。

 

      可以看到，在各持（chí）續10分鍾的加熱和冷卻（què）階段，3D打印的（de）流道的溫度（dù）曲線走向（圖中的紅色曲線）比傳統產品明顯陡峭一些。這表（biǎo）明其具備非常小的熱慣性，在壓鑄過程中將更好的散熱，這也是進行微噴塗的基礎。另外可以看到（dào），疊加工藝加工出的澆道上的點2和點4的（de）表麵溫度非常接近，這就意味著，它的溫度分布是均勻的。與（yǔ）此相比，傳統工藝生產（chǎn）的產品（灰色曲線）不僅有超過20K的溫差，而且這兩個測（cè）量點的溫度走向曲線的斜率明（míng）顯不同。實際測量與模擬實（shí）驗得出的溫度的一致性很好的證明的模擬模型的有效性。

壓鑄實驗結果

      打印出的澆道（dào）裝入帶貼近外輪廓的運水係（xì）統（tǒng）的（de）實驗模（mó）具中，並（bìng）在（zài）壓鑄生產中進行了（le）測試。成功澆鑄出了約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（shēng）的脫模劑濃縮（suō）物以霧狀（zhuàng）形式噴塗到模具上。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（lěng）卻，鎖模（mó）時間與帶傳（chuán）統噴塗過程的傳統模具（jù）運水（shuǐ）相比，縮短了超過40%。相對應（yīng）的，整（zhěng）個壓鑄過程周期時間節省超過20%。

總結

      通過（guò）以上（shàng）所介（jiè）紹（shào）的研究和實驗，展示了在壓鑄模中使（shǐ）用3D打印的帶貼近外輪廓的運水係統的模具鑲件的潛力。盡管改（gǎi）用微（wēi）噴塗技術，在（zài）整個過程中（zhōng）成型周期時間卻（què）能降低約20%。為了完全利用這種靈活的，與表（biǎo）麵形狀（zhuàng）相（xiàng）配合的運水流道（dào）的優勢，設計過程必須依靠模擬模型的支持。這一點對於平行排列和呈平麵分布的流道來說很重要，以確（què）保能均勻灌注。

      1000件彈簧腿套管（guǎn）的澆鑄完成表明，鋼料1.2709是適合用於壓鑄的。與傳統概念相比，做出關於壽命方麵的（de）結論還需要更多的鑄件，以便能夠評估磨損現象和磨損進度。