隨形冷卻流道的案例
隨形冷卻流道和晶格結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，《賽車總動(dòng)員》玩具汽車模具是這樣做的
為了生產(chǎn)小型“閃電麥昆車”，IPC決定采用能夠精確遵循汽車形狀的冷卻通道，并利用晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重，打印出性能比以往更好的金屬模具。
閃電麥昆車的金屬3D打印模具，圖片由IPC提供
目標(biāo)：結(jié)合專業(yè)的設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)加速生產(chǎn)流程
步驟（一）隨形冷卻流道
對(duì)于客戶Smoby ，IPC非常重視，在進(jìn)行小車模具生產(chǎn)時(shí)，他們考慮到：如果玩具汽車使用直形冷卻通道，則靠近通道的部分冷卻速度更快，整個(gè)小車的冷卻就需要更長(zhǎng)時(shí)間。此外，變形的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更高。
因此，他們選擇與Materialise合作制作有3D打印隨形冷卻流道的模具，不僅能更快地冷卻，模具質(zhì)量也更輕。
“對(duì)于IPC而言，使用金屬增材制造生產(chǎn)注塑成型模具的主要優(yōu)勢(shì)是可以創(chuàng)建隨形冷卻通道。這使IPC能夠縮短生產(chǎn)周期并提高部件質(zhì)量。”——Jean-Christophe Bornéat, IPC 項(xiàng)目經(jīng)理
模具的隨形冷卻通道，圖片由IPC提供
步驟（二）采用晶格結(jié)構(gòu)減重
為了進(jìn)一步優(yōu)化模具性能，IPC決定用輕量化結(jié)構(gòu)替代汽車模具的某些實(shí)體部分。首先使用Altair軟件優(yōu)化模具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)記下外表面上的壓力，確定可以用晶格結(jié)構(gòu)填充以實(shí)現(xiàn)減重的部分。然后將這些結(jié)果導(dǎo)入到Materialise 3-matic軟件中，進(jìn)行表面平滑處理，獲得可以打印的3D模型。
展開(kāi) 3D打印定制化電子煙外殼，技術(shù)引領(lǐng)定制時(shí)代
用3D打印冷卻電子煙外殼
電子煙塑料外殼的材料基本都屬于高溫料。
PCTG：260-280℃
PPSU：370℃
PC：270-320℃
注塑成型過(guò)程中，90%左右的問(wèn)題都是因?yàn)槟＞?em>冷卻效果不及預(yù)期。高溫料就更容易出現(xiàn)溫度引起的注塑成型問(wèn)題，所以在電子煙塑料外殼的注塑模具中，對(duì)冷卻水路的設(shè)計(jì)要求比一般產(chǎn)品更高。
電子煙塑料外殼屬于深腔型模具，而且型腔面截面積隨著深度的增加而減小。這種深腔型模具很難用傳統(tǒng)水路加工方式制造，一般只是做冷水井，但空間有限的模仁內(nèi)冷水井孔徑很小，深度較淺，效果不是很明顯。
3D打印隨形冷卻流道的設(shè)計(jì)思路是將冷卻水道緊附于模具型腔表面，隨模具型腔形狀變化而改變。應(yīng)用3D打印隨形冷卻流道，模具的冷卻效率得到提高、冷卻的均勻度也被相應(yīng)改善。
3D打印隨形冷卻流道有以下三大優(yōu)勢(shì)
1）周期縮短，成形速度更快
縮短成形周期可以使注塑件生產(chǎn)效率提高。在一個(gè)注塑成形周期中，開(kāi)模、閉模、注塑以及保壓時(shí)間通常遠(yuǎn)小于塑件的固化及冷卻時(shí)間，固化及冷卻時(shí)間占整個(gè)成形周期的50%~80%。3D打印隨形冷卻流道更貼近模具型腔表面，提高冷卻效率，縮短成形周期。
2）冷卻均勻，尺寸精度更高
模具溫度穩(wěn)定，能減少塑件收縮率的波動(dòng)，提高塑件成形精度。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)晶形塑料，模具溫度高有利于結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，結(jié)晶充分的塑件在存放或使用過(guò)程中不易發(fā)生尺寸的變化。較柔軟的塑料，成形過(guò)程中適合用低模具溫度。無(wú)論哪種材料，3D打印隨形冷卻流道模具溫度越恒定，其收縮越一致，越有利于提高成形注塑品的尺寸精度。
3）熱應(yīng)力小，力學(xué)性能更強(qiáng)
不均勻的冷卻會(huì)在注塑件中產(chǎn)生內(nèi)部殘余熱應(yīng)力，對(duì)注塑件的力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響。3D打印隨形冷卻流道模具均勻冷卻可以降低塑件內(nèi)應(yīng)力，提高塑件的力學(xué)性能和使用壽命。
展開(kāi) 隨形冷卻，把復(fù)雜異形的問(wèn)題交給增材制造
自工業(yè)注塑制模發(fā)展之初，如何使模具表面保持恒溫就一直困擾著人們，在注塑成型中，成品的冷卻時(shí)間在注塑生產(chǎn)周期的占比高達(dá)70%，主要原因是：在傳統(tǒng)的模具制造中，溫度控制或冷卻水路只能在直線上鉆孔。關(guān)鍵熱點(diǎn)通常不在冷卻熱量傳播的范圍之內(nèi), 因此無(wú)法有效冷卻。
為了使溫度保持恒定，制造商們先后使用了隔板、散熱器、散熱管等；還嘗試將塊狀物層壓在一起，并在模具上加裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鉆孔裝置。如何快速低成本地完成制造又成了一大難題。
美國(guó)麻省理工學(xué)院Sachs教授于1997年首次提出“注塑模具隨形冷卻技術(shù)”概念，設(shè)計(jì)出與部件輪廓一致的冷卻通道被認(rèn)為是控制注塑制模溫度的最佳解決方案。然而隨形冷卻增加了模具制造的設(shè)計(jì)難度及制造復(fù)雜度，使得大部分傳統(tǒng)制造商都對(duì)其望而卻步。
3D打印技術(shù)作為智能制造的代表制造技術(shù)，近年來(lái)在我國(guó)制造業(yè)中得到了廣泛運(yùn)用，使用直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 技術(shù)，可以在生產(chǎn)過(guò)程中將優(yōu)化的隨形冷卻水路集成到模具當(dāng)中。確保散熱更快、更均勻，可以降低模具中的熱應(yīng)力并延長(zhǎng)模具使用壽命。塑料產(chǎn)品質(zhì)量和零部件的尺寸精度也得到了提高，同時(shí)減少了翹曲變形。
此外，3D打印技術(shù)在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，擺脫了傳統(tǒng)機(jī)加工的成形限制，讓復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨形冷卻流道（隨形水道），從設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)。該工藝還可大幅縮短注塑模具的生產(chǎn)周期。
利用激光燒結(jié)來(lái)進(jìn)行電子化制造在許多不同的工業(yè)已經(jīng)成為可行的方案。需要強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是，該技術(shù)不僅在快速成型環(huán)境里可行，而且在多品種的復(fù)雜產(chǎn)品的一系列生產(chǎn)中也是可行的。
例如，知名模具服務(wù)LBC公司使用全球工業(yè)3D打印領(lǐng)導(dǎo)者EOS(2021 TCT亞洲展展位號(hào)：G14) 創(chuàng)新激光技術(shù)進(jìn)行模具制造，并對(duì)部分或整個(gè)工藝鏈進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)客戶的運(yùn)營(yíng)流程。
展開(kāi) 從“粉末冶金”進(jìn)階，看粉末擠出3D打印技術(shù)如何賦能
PEP方法通過(guò)無(wú)模具化的制備，節(jié)省了模具開(kāi)發(fā)的制造和時(shí)間成本；拓展了高難度、高復(fù)雜性零件的加工能力，例如實(shí)現(xiàn)純銅隨形冷卻流道的設(shè)計(jì)制造，復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷的大尺寸、輕量化、一體化制備等；提供了較直接3D打印技術(shù)成形更優(yōu)的精度，打印設(shè)備、材料性價(jià)比更高，更有利用3D打印應(yīng)用的推廣及普及。
▽PEP 3D打印成功應(yīng)用得益于以下優(yōu)勢(shì)組合
3、以用戶需求及行業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向
他山之石可以攻玉，傳統(tǒng)粉末冶金和新型PEP 3D打印并不是替代關(guān)系，而是迭代關(guān)系、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是智造發(fā)展的未來(lái)之路，是粉末冶金和數(shù)字技術(shù)融合發(fā)展之路、共生共贏之路。
目前應(yīng)用于航空、航天、船舶、核電等現(xiàn)代工業(yè)的關(guān)鍵零構(gòu)架件正朝著復(fù)雜化、一體化、輕量化、高性能化方向發(fā)展，PEP 3D技術(shù)也已證實(shí)可滿足成形要求，成為高科技領(lǐng)域關(guān)鍵材料和核心部件制備鏈條中的一環(huán)，而且正以新優(yōu)勢(shì)更好地為粉末冶金“賦能“。
“賦能”并不是一個(gè)概念。升華三維團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)在該技術(shù)基礎(chǔ)上積累和沉淀了近10年，現(xiàn)在正在考慮“下一步進(jìn)階”，以用戶需求及行業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向，為“構(gòu)建3D打印的智造世界”做出更多探索和實(shí)踐。整個(gè)未來(lái)，升華三維都將穩(wěn)步前行，以數(shù)字化技術(shù)為粉末冶金高效賦能，為粉末冶金打開(kāi)更為廣闊的天地作出貢獻(xiàn)
展開(kāi) 
【STAR-CCM+電池冷卻】基于直流道液冷板的動(dòng)力電池冷卻性能仿真
3 仿真結(jié)果及分析
3.1 液冷板溫度分布對(duì)比
對(duì)冷卻液質(zhì)量流量Qin = 0.25 kg/s，入口溫度θin =20 ℃工況進(jìn)行仿真計(jì)算，得到液冷板溫度分布，如圖5所示。由于模型1 的回流橫向流道窄（流道右端與液冷板右側(cè)內(nèi)壁之間的通道），冷卻液流速大, 在慣性力的作用下，冷卻液向外側(cè)流道流動(dòng)的現(xiàn)象，回流側(cè)冷卻液分布不均勻，各流道散熱能力差異較大導(dǎo)致最內(nèi)側(cè)流道溫度遠(yuǎn)高于其他流道。與模型1 相比，模型2 的回流橫向流道呈V 型，在匯流處流道寬度較大，冷卻液流速較低，慣性力作用較弱。此外，冷卻液從內(nèi)向外依次提前回流，可以減緩冷卻液向外側(cè)流道流動(dòng)的現(xiàn)象。冷卻液流速分布均勻使得內(nèi)側(cè)流道具有較好散熱效果，避免了液冷板回流內(nèi)側(cè)溫度過(guò)高，液冷板溫度均勻性更好。
3.2 電池組溫度分布對(duì)比
在冷卻液質(zhì)量流量0.25 kg/s，入口溫度20 ℃工況下進(jìn)行仿真計(jì)算，得到液冷板溫度分布，如圖6 所示。電池組溫度分布呈現(xiàn)上部溫度高、下部溫度低、電池模組間的溫度分布較為均勻的現(xiàn)象。模型1 電池模組的高溫區(qū)域明顯多于模型2 電池模組的高溫區(qū)域，而且模型2 電池組的最高溫度和最大溫差均低于模型1，模型2 電池組溫度分布更均勻。但由于電池組產(chǎn)熱率較大并且在電池模組高度方向上傳熱路徑太長(zhǎng)，模型1 和模型2 均存在電池模組上部散熱不佳的問(wèn)題，導(dǎo)致電池模組在高度方向上溫度差異較大。
3.3 冷卻液質(zhì)量流量對(duì)冷卻液壓降的影響
保持冷卻液入口溫度為20 ℃，調(diào)節(jié)冷卻液質(zhì)量流量Qin 分別設(shè)為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 kg/s 進(jìn)行仿真模擬，液冷板壓降Δp 隨冷卻液質(zhì)量流量Qin 的變化情況如圖7 所示。
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