在什么樣的應(yīng)用場(chǎng)合下，3D打印或數(shù)字分層方法能夠創(chuàng)建一個(gè)相比今天廣泛使用的零件制造流程更具備重要優(yōu)勢(shì)的零部件?制造商仍在探索這個(gè)問(wèn)題的答案。憑借增材制造，我們?nèi)蕴幱谶@樣一個(gè)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(shuō)是缺乏想象力，我們還沒(méi)有想到那些可以通過(guò)充分利用增材制造方法進(jìn)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(yùn)用其內(nèi)部配套的模具工程設(shè)計(jì)及加工能力，為汽車(chē)制造商和醫(yī)療設(shè)備制造商克服了復(fù)雜的模塑成型挑戰(zhàn)。然而，PTI公司*近才意識(shí)到其在探索模塑模具工裝的增材工藝前景時(shí)，缺乏足夠的創(chuàng)新性。

一年多以來(lái)，該公司嘗試通過(guò)增材制造方法試驗(yàn)?zāi)Ｋ苣＞咔都�，以包括隨形冷卻。也就是說(shuō)，在粉末層的金屬增材制造機(jī)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(jié)果是模具的冷卻得以改善，因?yàn)橥ǖ揽梢皂樦�模具的波狀外形表面前行。然而，在一般情況下，結(jié)果是并未在冷卻方面達(dá)到足夠的改進(jìn)，以證明采用這種方式制造模具嵌件來(lái)取代機(jī)加工方式是正確的選擇。然而，據(jù)擔(dān)任PTI公司新技術(shù)經(jīng)理的Scott Kraemer稱，這個(gè)比較所涉及的問(wèn)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(shè)。他逐漸地認(rèn)識(shí)到采用通道傳輸冷卻本就是模具“應(yīng)該”起作用的一部分。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驹谑褂弥�后被鋸成兩半，以揭示其�?nèi)部的空洞。PTI看好空心模具嵌件，認(rèn)為它可作為改善冷卻的一種方式，以便在模塑過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更短的周期時(shí)間

有個(gè)替代的想法：無(wú)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(kāi)敞的內(nèi)部空間來(lái)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(jué)有些奇怪，Kraemer一開(kāi)始有這種想法的時(shí)候，也感到有些詫異。中空的模具嵌件是輕量的，這似乎是錯(cuò)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(shí)的特點(diǎn)。

PTI*近進(jìn)行了一項(xiàng)重要的測(cè)試。對(duì)于一個(gè)與醫(yī)療設(shè)備相關(guān)、約7 in(1 in=25.4 mm)高的模塑模芯而言，有數(shù)學(xué)分析表明：此模芯的薄壁中空結(jié)構(gòu)可以提供所需的強(qiáng)度。由于相信此分析，PTI公司便在工具鋼中3D打印了這個(gè)中空型芯，以便進(jìn)行測(cè)試，繼而生產(chǎn)出零件。

在測(cè)試過(guò)程中，模塑制模機(jī)操作者是非常細(xì)心的，Kraemer對(duì)輕質(zhì)模具嵌件在壓力作用下裂開(kāi)是有心理準(zhǔn)備的，但它并沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。它承受住了高壓，事實(shí)上，它的運(yùn)行狀態(tài)蠻好的。即使在*初測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，但中空模具工裝運(yùn)作有效，足以證明這個(gè)想法不僅靠譜而且很有前途。

模塑成型的一個(gè)基本點(diǎn)是：用于制作塑料零件的大部分周期時(shí)間是冷卻時(shí)間。因此，將改進(jìn)的冷卻部分加進(jìn)工藝流程中，便可直接實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率。在采用中空模具進(jìn)行試運(yùn)行過(guò)程中，這個(gè)新工裝的冷卻效率使模塑周期達(dá)到41.5 s，而此前對(duì)應(yīng)于此零件的可接受時(shí)間為46.5 s。

CO2冷卻

對(duì)于*實(shí)驗(yàn)性模具嵌件，其工藝也有另一個(gè)重要的細(xì)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(yùn)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(jìn)行試驗(yàn)，事實(shí)上促使PTI在模具嵌件中空化方面取得了飛躍性進(jìn)步。

目前，中空模概念已經(jīng)更新了PTI公司對(duì)增材制造的興趣。運(yùn)用增材制造的方法來(lái)實(shí)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(zhǎng)的構(gòu)建時(shí)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?fù)ǖ烙袝r(shí)會(huì)弄歪零件的冷熱帶。

在*中空型芯空心的試運(yùn)行過(guò)程中，作為冷卻液的CO2運(yùn)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(huì)比這更低。   因此，PTI在此試驗(yàn)中停止使用CO2，使模具在冷卻時(shí)，且被導(dǎo)入循環(huán)周期之前，變熱一段時(shí)間。但即使如此，從高溫急劇快速冷卻導(dǎo)致了注塑成型工藝流程的材料滑槽粘到塑料部件的兩側(cè)，故PTI公司將冷卻速度控制在僅達(dá)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(jié)論仍為時(shí)過(guò)早。為此，擬進(jìn)行額外的測(cè)試，以進(jìn)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?yàn)?/span>PTI公司一旦開(kāi)始購(gòu)入更多，則會(huì)拿到粉末金屬的更好價(jià)格。

Kraemer稱其已聽(tīng)到的、針對(duì)中空模具嵌件潛在希望的反對(duì)意見(jiàn)：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(duì)于大量模具工裝而言是有意義的，但對(duì)于較短時(shí)間的模具工裝來(lái)講，每個(gè)塑件的幾秒鐘價(jià)值則是不顯著的。他認(rèn)為：這個(gè)異議中的缺陷是，提出異議者并未認(rèn)識(shí)到PTI公司*終能夠向其客戶提供的全部產(chǎn)品范圍。他沒(méi)有將這種對(duì)模具冷卻改進(jìn)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(lái)測(cè)試來(lái)得像*次測(cè)試一樣好，那么便可以預(yù)想出找到每個(gè)模具嵌件的*佳中空容積，會(huì)成為對(duì)應(yīng)于每項(xiàng)作業(yè)的模具工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同樣地，他還可以將水和CO2視為針對(duì)任何給定中空工裝的冷卻液選擇。

其實(shí)，這對(duì)于低容量的作業(yè)而言，每個(gè)周期的數(shù)秒鐘實(shí)在無(wú)關(guān)緊要。一旦每項(xiàng)作業(yè)開(kāi)始從中獲益時(shí)，每個(gè)周期的數(shù)秒鐘將會(huì)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(xiàng)作業(yè)均對(duì)應(yīng)于截然不同的模具類型。

拓?fù)浞治?/span>

為了設(shè)計(jì)一個(gè)新的模具嵌件類型，PTI公司需要新的設(shè)計(jì)工具，即拓?fù)浞治�。盡管對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析的軟件不是模具設(shè)計(jì)師采用的典型資源，但PTI公司需要用它來(lái)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(kāi)發(fā)。Kraemer將模芯的現(xiàn)有CAD集合形狀連同模流軟件所預(yù)測(cè)的施力形式，提供給了Altair公司的顧問(wèn)，他請(qǐng)?jiān)擃檰?wèn)采用*大允許內(nèi)部中空容積，對(duì)模芯進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

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?fù)浞治隹赡芙沂荆何磥?lái)的其他模具嵌件設(shè)計(jì)的確需要這些支承。但在中空模具*測(cè)試的情況下，有分析顯示：用于此測(cè)試的模芯或許是真正且完全中空的。