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注塑模具的隨形冷卻水路制造是3D打印領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題之一，3D打印技術(shù)使冷卻水路的制造避免了交叉鉆孔的限制，3D打印的隨形冷卻水路還可以根據冷卻要求進(jìn)行不同的冷卻回路設計，從而以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。在部分模具制造廠(chǎng)商中，隨形冷卻模具業(yè)務(wù)已占到總業(yè)務(wù)的40%。
那么，3D打印隨形冷卻水路的設計原則與傳統冷卻水路有什么不同？ 傳統冷卻水路的設計與制造中，有哪些可以借鑒的經(jīng)驗？3D科學(xué)谷歸納以下幾點(diǎn)由模具增材制造專(zhuān)家分享的設計經(jīng)驗將給這些問(wèn)題帶來(lái)一定啟發(fā)。
水路的直徑。使用鉆孔方式制造的傳統冷卻水路常用的直徑為7/16英寸（約11.11 mm）。通過(guò)這種方式制造的冷卻水路，如果直徑過(guò)大，將可能導致水路難以接近模具表面，同時(shí)避開(kāi)模具部件。如果直徑過(guò)小，在水路加工時(shí)可能會(huì )發(fā)生鉆頭漂移。雖然，增材制造技術(shù)規避了鉆孔方式的一些局限性，但是在設計水路時(shí)仍需將直徑設定在經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗證的常用尺寸范圍內，從而降低這種技術(shù)的不確定性。
圖1 左圖是傳統鉆孔方式加工的冷卻水路，右圖是隨形冷卻水路。傳統冷卻水路的冷卻時(shí)間為50.89秒，隨形冷卻水路冷卻時(shí)間為44.97秒，減少了12%。
橫截面面積。在通過(guò)鉆孔方式加工冷卻水路時(shí)，水路的橫截面積始終是保持不變的。盡管通過(guò)3D打印技術(shù)可以制造出一條擁有多種不同形狀的水路，但是在設計3D打印隨形冷卻水路時(shí)應保持水路的橫截面積不變，從而保證恒定體積的冷卻液體通過(guò)水路。
圖2 截面為淚滴形狀的冷卻水路。入口和出口處的直徑為7/16英寸（約11.11 mm），淚滴形狀水路的橫截面面積在設計時(shí)需要保持一致。在該案例中，淚滴形隨形水路的橫截面周長(cháng)為1.574英寸（約39.93 mm），而同樣面積的傳統圓形水路的周長(cháng)為1.374英寸(約34.90 mm)，淚滴狀隨形冷卻水路具有更大的表面積將模具中的熱量帶走。
與模具表面的距離。對于冷卻水路與模具表面的距離并沒(méi)有一個(gè)固定的規定，例如，有的企業(yè)在設計時(shí)保留的距離恰好等于水路直徑的距離，而有的企業(yè)保留的距離為水路直徑的2倍。對于大多數隨形冷卻水路來(lái)說(shuō)，與模具表面的距離取決于零件的幾何形狀。在設計與模具表面的距離時(shí)，有一個(gè)需要遵守的原則是，使隨形水路與模具表面始終保持相同的距離，從而達到均勻的冷卻效果。
冷卻水路的長(cháng)度。在使用鉆孔方式加工冷卻水路時(shí)，如果鉆孔時(shí)產(chǎn)生的碎屑未被排空，則可能發(fā)生鉆頭漂移或損壞。在這種情況下，人們會(huì )選擇將冷卻水路設計的盡量短一些。盡管通過(guò)3D打印技術(shù)制造隨形冷卻水路，不存在刀具損壞等問(wèn)題，但是在設計時(shí)仍不建議將水路設計的過(guò)長(cháng)。這是由于冷卻水在較短的冷卻水路中可以更為迅速的進(jìn)出，使熱分布更為均勻。
截面積的另一個(gè)規則。 由于多條短的冷卻水路能夠更加均勻的進(jìn)行冷卻，所以有的隨形冷卻水路是按照毛細管的思路來(lái)設計的，即：一條大的冷卻水路被分為多條小而短的水路，然后再匯入一條大的水路。在這種情況下，多條小水路的橫截面積總和應等于大水路入口和出口的橫截面積，從而確保水的均勻流動(dòng)，進(jìn)一步降低翹曲的風(fēng)險。
旋轉結構。模具冷卻水路中的水量是影響模具冷卻時(shí)間的因素，水量越大冷卻循環(huán)時(shí)間越短。另一個(gè)影響因素是水湍流。雖然3D打印隨形冷卻水路的內表面由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)拋光，所以會(huì )產(chǎn)生一些湍流，但是如果在設計時(shí)增加旋轉結構，則可以產(chǎn)生更多的湍流。例如圖3中展示的這個(gè)冷卻水路，在設計時(shí)向頂部回路中增加了四個(gè)旋轉結構。
以上這些設計規則，并不是成功3D打印隨形冷卻水路所需要關(guān)注的全部規則，模具制造用戶(hù)在進(jìn)行3D打印隨形冷卻水路設計時(shí)，應對注塑模具制造有系統的了解。傳統的模具冷卻水路設計原則中有很多值得借鑒的經(jīng)驗，這些經(jīng)驗是有效設計3D打印隨形冷卻水路的基礎。
參考資料：
3D Systems Application Engineer DAVID LINDEMANN，
Conformal Water Line Design Guidelines， MouldMaking Technology.
Optimal cooling design in injection moulding process – A new approach based on morphological surfaces
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