在什么樣的應用場合下，3D打印或數(shù)字分層方法能夠創(chuàng)建一個相比今天廣泛使用的零件制造流程更具備重要優(yōu)勢的零部件?制造商仍在探索這個問題的答案。憑借增材制造，我們?nèi)蕴幱谶@樣一個早期階段，以至于使用的完整范圍尚不明朗。到目前為止，阻止我們前行的部分是想象力，或者說是缺乏想象力，我們還沒有想到那些可以通過充分利用增材制造方法進行加工制造的所有零部件。

有一家位于密歇根州馬科姆的PTI工程塑料公司。它運用其內(nèi)部配套的模具工程設計及加工能力，為汽車制造商和醫(yī)療設備制造商克服了復雜的模塑成型挑戰(zhàn)。然而，PTI公司*近才意識到其在探索模塑模具工裝的增材工藝前景時，缺乏足夠的創(chuàng)新性。

一年多以來，該公司嘗試通過增材制造方法試驗模塑模具嵌件，以包括隨形冷卻。也就是說，在粉末層的金屬增材制造機床上生成模具嵌件，以包括取代典型鉆孔的彎曲內(nèi)部冷卻通道。結果是模具的冷卻得以改善，因為通道可以順著模具的波狀外形表面前行。然而，在一般情況下，結果是并未在冷卻方面達到足夠的改進，以證明采用這種方式制造模具嵌件來取代機加工方式是正確的選擇。然而，據(jù)擔任PTI公司新技術經(jīng)理的Scott Kraemer稱，這個比較所涉及的問題在于：即便是隨形冷卻也仍受制于模具制作的一些既定方法和假設。他逐漸地認識到采用通道傳輸冷卻本就是模具“應該”起作用的一部分。

實驗模芯在使用之后被鋸成兩半，以揭示其內(nèi)部的空洞。PTI看好空心模具嵌件，認為它可作為改善冷卻的一種方式，以便在模塑過程中實現(xiàn)更短的周期時間

有個替代的想法：無需采用通道，可以把模具嵌件做成中空的。冷卻介質(zhì)可以填充其內(nèi)容積。正如增材制造可采用彎曲的內(nèi)部冷卻通道生產(chǎn)模具嵌件一樣，它也可以采用開敞的內(nèi)部空間來生產(chǎn)模具嵌件，其原因在于：相比于制造更接近固體的零部件，增材制造可以更快速、更便宜地生產(chǎn)出中空的形狀。

可以肯定的是，這種中空模具嵌件的想法讓人感覺有些奇怪，Kraemer一開始有這種想法的時候，也感到有些詫異。中空的模具嵌件是輕量的，這似乎是錯誤的，模具需要承受模塑成型的高壓，所以模具工裝必須具備重、實的特點。

PTI*近進行了一項重要的測試。對于一個與醫(yī)療設備相關、約7 in(1 in=25.4 mm)高的模塑模芯而言，有數(shù)學分析表明：此模芯的薄壁中空結構可以提供所需的強度。由于相信此分析，PTI公司便在工具鋼中3D打印了這個中空型芯，以便進行測試，繼而生產(chǎn)出零件。

在測試過程中，模塑制模機操作者是非常細心的，Kraemer對輕質(zhì)模具嵌件在壓力作用下裂開是有心理準備的，但它并沒有出現(xiàn)裂紋。它承受住了高壓，事實上，它的運行狀態(tài)蠻好的。即使在*初測試過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，但中空模具工裝運作有效，足以證明這個想法不僅靠譜而且很有前途。

模塑成型的一個基本點是：用于制作塑料零件的大部分周期時間是冷卻時間。因此，將改進的冷卻部分加進工藝流程中，便可直接實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率。在采用中空模具進行試運行過程中，這個新工裝的冷卻效率使模塑周期達到41.5 s，而此前對應于此零件的可接受時間為46.5 s。

CO2冷卻

對于*實驗性模具嵌件，其工藝也有另一個重要的細節(jié)。中空只是故事的一半，而另一半就是冷卻介質(zhì)。在試運行中，中空型芯內(nèi)填充的不是通常的模具冷卻液、水，而是采用液態(tài)CO2填充。

采用CO2進行試驗，事實上促使PTI在模具嵌件中空化方面取得了飛躍性進步。

目前，中空模概念已經(jīng)更新了PTI公司對增材制造的興趣。運用增材制造的方法來實現(xiàn)隨形冷卻在多種方式中被證明具有挑戰(zhàn)性。原因是粉末金屬成本和較長的構建時間往往使隨形冷卻的模具嵌件成本更高，沿模具表面彎曲的相鄰通道有時會弄歪零件的冷熱帶。

在*中空型芯空心的試運行過程中，作為冷卻液的CO2運行*。被鑄模的聚合物要求*低溫度須為140℉，將液體CO2泵送入模芯，已有跡象表明其冷卻溫度會比這更低。   因此，PTI在此試驗中停止使用CO2，使模具在冷卻時，且被導入循環(huán)周期之前，變熱一段時間。但即使如此，從高溫急劇快速冷卻導致了注塑成型工藝流程的材料滑槽粘到塑料部件的兩側，故PTI公司將冷卻速度控制在僅達到周期為5 s的程度范圍內(nèi)。

付諸要素的重要性

再次，現(xiàn)在下結論仍為時過早。為此，擬進行額外的測試，以進一步提煉中空模具工裝的思路。采納此思路將提高成本效益，因為PTI公司一旦開始購入更多，則會拿到粉末金屬的更好價格。

Kraemer稱其已聽到的、針對中空模具嵌件潛在希望的反對意見：由此產(chǎn)生的模塑周期節(jié)省程度并不重要，這些節(jié)省對于大量模具工裝而言是有意義的，但對于較短時間的模具工裝來講，每個塑件的幾秒鐘價值則是不顯著的。他認為：這個異議中的缺陷是，提出異議者并未認識到PTI公司*終能夠向其客戶提供的全部產(chǎn)品范圍。他沒有將這種對模具冷卻改進的方法視為一種利基解決方案。相反地，他將此視為潛在適用于任何模塑作業(yè)。如果此思路的未來測試來得像*次測試一樣好，那么便可以預想出找到每個模具嵌件的*佳中空容積，會成為對應于每項作業(yè)的模具工程設計標準。同樣地，他還可以將水和CO2視為針對任何給定中空工裝的冷卻液選擇。

其實，這對于低容量的作業(yè)而言，每個周期的數(shù)秒鐘實在無關緊要。一旦每項作業(yè)開始從中獲益時，每個周期的數(shù)秒鐘將會在PTI公司的成本和容量方面產(chǎn)生戲劇性的區(qū)別，其原因在于每項作業(yè)均對應于截然不同的模具類型。

拓撲分析

為了設計一個新的模具嵌件類型，PTI公司需要新的設計工具，即拓撲分析。盡管對此結構進行數(shù)學分析的軟件不是模具設計師采用的典型資源，但PTI公司需要用它來確定中空模芯的中空程度。

PTI公司采用的軟件名稱為Inspire，由Altair開發(fā)。Kraemer將模芯的現(xiàn)有CAD集合形狀連同模流軟件所預測的施力形式，提供給了Altair公司的顧問，他請該顧問采用*大允許內(nèi)部中空容積，對模芯進行重新設計。

在中空模型中，他將壁厚增加到4.0 mm，旨在增加一些安全系數(shù)，但并未添加任何類型的內(nèi)支承。拓撲分析可能揭示：未來的其他模具嵌件設計的確需要這些支承。但在中空模具*測試的情況下，有分析顯示：用于此測試的模芯或許是真正且完全中空的。

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