增材制造（金属3D打印）  助力推动模具行业创新发展

前言

近年来，随着经济的快速发展和制造业转型升级，市场对于注塑产品质量要求逐渐提高，同时为了应对激烈的同行竞争，需要快速切换新型产品，并且尽可能提升生产效率，降低生产成本。对于模具行业而言，需要不断提升模具的设计及制造水平，同时缩短开模周期，快速响应客户需求。

随形水路模具，是一种将冷却水道形状设计成依据产品轮廓的变化而变化的模具（图1），可以很好地减少冷却热点，提高冷却效率，减少冷却时间、提高注塑效率。 由于水道与模具型腔表面距离一致，因此能够有效提高冷却均匀性、减小产品翘曲变形、提高产品质量。然而，由于随形水路多为弯曲、螺旋走向，截面几何形状复杂（图2），利用传统的机加工手段无法实现。

3D打印技术是一种基于三维模型数据，采用与传统减材制造技术完全相反的逐层叠加材料的方式，直接制造与相应数字模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法，具有材料利用率高、制造周期短、方案设计灵活、加工自由度高等众多优点。得益于金属3D打印技术的发展，可以利用该技术直接成型具有复杂内流道结构的金属模具，在提升模具注塑效率同时，还能大幅缩短开模周期，满足不断提高的客户需求。

随形水路模具优势

随形水路的形状可以依据产品轮廓变化而变化，更贴合产品表面，冷却效率更佳。并且流道和模具型腔不同位置的表面距离可以保持一致，冷却均匀性大幅提高，不容易产生局部热点，从而可以减少产品的翘曲变形。从这几个方面看，随形水路模具可以带来以下三点收益：

1. 产品生产效率的提升。3D打印的随形水路可以同零件表面距离更近，排布更为密集，带来的冷却效率大幅提升。对于有深腔结构的产品，随形水路的设计可以带来50%~80%的冷却时间缩减。对于冷却时长占比较高的注塑工艺，往往能带来30%以上的效率提升。如图3中的随形水路设计，根据模流分析结果，随形水路节省了约30%的冷却时间，而实际试模后生产周期由4s降低到了2s，提升近1倍。

2. 产品质量提升。模具温度的波动会对塑胶产品的收缩率、尺寸稳定性、变形、应力开裂、表面质量等带来很大的影响。随形水路的设计可以更好地控制模温，减小不同位置的温度差，从而解决由于导热带来的产品质量问题。如图4中的模具顶部采用了随形水路，同传统冷却水路相比，型腔表面模温的差值从19低到了5

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3. 延长模具使用寿命。由于传统加工方式得到的水路存在较多热点，严重时会在局部形成较大热应力。这些位置容易造成应力集中，也由此导致模具寿命下降。而随形水路模具由于大幅减少了这些热量集中点，合理设计的随形水路模具在使用寿命上还能有所增加。此外，传统模具为了获得更好的散热效果，会使用铍铜作为某些结构的模具材料。由于铍铜相对较软，使用寿命不高。采用随形水路后，在设计结构上解决了散热问题，而3D打印常用的模具材料硬度可达52HRC以上，模具寿命可以得到很好保障。

随形水路模具应用领域

3D打印技术的出现，极大拓展了模具设计的自由度。依托于3D打印技术的随形水路模具，在冷却效率上有着巨大优势。所以无论是从生产效率、生产成本考虑，还是从产品质量出发，使其在各个领域有着重要的应用。目前应用随形水路模具较多的产品领域如下。

1. 医疗美妆类：医疗美妆类产品，如化妆瓶包装瓶、脸部按摩仪、拔火罐等透明产品，通常附加值较高，对产品外观要求也非常高。随形水路带来的产品质量提升效果能在这些产品中得到充分体现。

2. 3C电子类：目前随形水路模具在蓝牙耳机、电子烟、手机外壳等3C类电子产品中得到了广泛应用。这类产品外形更新快，要求开模周期短，3D打印技术能够很好满足这点。尤其通常这类产品的生产压力比较大，随形水路带来的效率提升能够很好提升企业竞争力。

3. 小型电器：这类产品如电动扳手、剃须刀等，多具有深腔结构，随形水路的使用能够很好提升生产效率，改善产品外观。

4. 汽车中控、内饰：这类产品多具有多个深腔、异型结构，随形水路能够很好满足这些位置的冷却问题，提高成品率和生产效率。

5. 白色家电外壳：诸如空调、洗衣机等白色家电外壳部分，具有部分深腔结构，采用随形水路可以很好提升生产效率。

随形水路模具的设计及制造

客户采用随形水路模具的目的，多是为了提升产品质量、降低废品率，或者是提升生产效率，降低加工成本。产品模具的水路设计尤为重要，不合理的设计容易造成胶位面过薄，影响寿命，或者造成水压不稳，无法发挥随形冷却优势。设计人员要求具备模具设计经验能力，同时对3D打印的结构特点、成型特点非常了解。

一般在模具水路设计之前，销售人员会同客户进行深入交流，了解目前产品现状以及客户需要提升的方面，设计人员根据模具特点，判断直接一体成型或者嫁接打印。嫁接打印能够减少模具成本，但由于材料匹配等问题，在界面处容易形成缺陷。同客户达成一致后，设计人员会在需要布局随形水路位置进行进行水路设计，最后可以结合模流分析等模拟手段进行不同方案比较、提升效果评估。

设计定稿后，采用选区激光熔覆的成型方式进行打印成型，通常在1天内即可完成。打印结束后，需要对模具管路进行全面清粉。随后，根据客户需要进行热处理，形成48~54 HRC硬度。最后，对模具进行基准面加工，以及完成对关键尺寸的检测。

3D打印随形水路模具市场分析

随形水路模具是金属3D打印技术在民用领域最重要的应用之一。随形水路模具的发展同金属3D打印技术商业化应用的历程基本一致。早在2010年左右，德国、美国等已经将3D打印技术应用于随形水路制造方面。那时3D打印的设备和材料价格非常高昂，导致3D打印价格非常昂贵。但由于随形水路的诸多优势，一些高附加值注塑产品企业，如电子烟、化妆品包装等，已经开始在国外进行随形水路模具打印。2012年左右，金属3D商业化设备开始大量进入中国，并得到了快速国产化替代，3D打印的价格也逐步下降。这些年，国内已经形成了多家专做模具3D打印的企业，华南地区如东江模具、深圳德科、东莞康明、深圳鑫瑞宝源、东莞APM、马路科技等，台湾地区如世锐精密工业、台湾数可科技、台湾新秀工业等，华东地区如上海悦瑞、上海镭镆、苏州欧普精密等企业，企业规模逐年快速增长。

宁波中乌新材料产业技术研究院拥有德国进口的EOS M290金属3D打印设备，一支涵盖模具设计、机械制造、材料工程专业的硕博团队，具备多种材料打印变形控制、质量控制技术，可以为宁波诸多模具企业提供随形水路模具的设计及制造服务。

3D打印随形水路模具未来发展

3D打印随形水路模具尽管有诸多优势，但由于水路设计对设计人员专业要求高、3D打印材料有限、成本高等问题，应用多集中在附加值高的注塑行业中，在吹塑、铸造模具领域应用相对较少。目前，3D打印模具的发展主要集中在这三个方面。

1. 随形水路的自动设计。随形水路的设计需要结合材料特性、水路冷却特性、水流稳压、3D成型特性等方面，同个产品通常有多种水路排布方式，非常依赖设计人员的经验和专业知识。目前国外多个工业软件公司正在研发自动随形水路设计软件，如3D system Cimatron，可以根据模具三维数据自动生成随形水路。尽管如今自动生成的随形水路仍有许多不合理之处，但随着技术的不断进步，数据库的不断充实，未来随形水路的设计将不再如此依赖专业人员。

2. 模具专机的发展。为了降低3D打印随形水路的制造成本，需要降低设备费用和材料费用。因此，发展3D打印模具专机成为一个必然选择。模具打印追求高的成型效率，而对设备尺寸、外形精度则相对要求不高。配备大功率激光器，加上特殊光路设计，辅之专用的大层厚工艺参数，不但可以降低设备成本，还能提升成型效率。

3. 成型材料体系的拓广。目前可供模具使用的3D打印材料非常有限，几乎是只能选择1.2709和CX两种。应用于模具行业的H13、高光材料等，目前都难以成型。高碳钢的成型目前受限于较大的成型应力，无法保证成型件一致性。但随着设备的不断进步，对3D打印过程理解的不断深入，适合3D打印的材料体系将不断拓广，从而覆盖更多模具领域。