“未來10年內(nèi)，中國(guó)模具行業(yè)需要1500臺(tái)金屬3D打印機(jī)”。
注塑模具的隨形冷卻方式與傳統(tǒng)的冷卻方式有所區(qū)別，其冷卻水道的形狀是隨著注塑制品的外形而變化的，不再是傳統(tǒng)的直線狀。而3D打印技術(shù)可以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(jù)冷卻要求進(jìn)行不同的冷卻回路設(shè)計(jì)，從而以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。
對(duì)于模具制造商來說，由于模具的質(zhì)量直接決定了注塑生產(chǎn)效率，并決定產(chǎn)品質(zhì)量，從而決定產(chǎn)品的附加值，所以，如何在最小周期時(shí)間內(nèi)高效冷卻塑料產(chǎn)品，成為隨形冷卻注塑模具設(shè)計(jì)與制造過程中關(guān)鍵的考量因素，而冷卻在這期間扮演了重要的角色。
隨形冷卻的原理是：在一個(gè)統(tǒng)一連續(xù)的方式下快速地降低塑件的溫度，注塑件不能在冷卻過程中從模具中取出，直到冷卻充分，然后，從模具中取出注塑件。任何熱點(diǎn)都會(huì)延遲注塑件的注塑周期，可能會(huì)導(dǎo)致脫模后注塑件的翹曲和凹陷，并可能損害塑件表面的質(zhì)量。快速冷卻是通過冷卻液在模具內(nèi)的通道流過將注塑件的熱量帶走，這種冷卻效果的速度和均勻性是由流體通道以及冷卻流體通過它的速度來決定的。
傳統(tǒng)的模具內(nèi)，冷卻水路是通過交叉鉆孔產(chǎn)生內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并通過內(nèi)置流體插頭來調(diào)整流速和方向。金屬3D打印技術(shù)在模具冷卻水路制造中的應(yīng)用則突破了交叉鉆孔方式對(duì)冷卻水路設(shè)計(jì)的限制?，F(xiàn)在，模具設(shè)計(jì)企業(yè)可以設(shè)計(jì)出更靠近模具冷卻表面的隨形水路，它們具有平滑的角落，更快的流量和更高的冷卻效率。
傳統(tǒng)的模具內(nèi)冷卻通道是通過二次加工來實(shí)現(xiàn)的。通過交叉鉆孔，產(chǎn)生直線管的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過內(nèi)置流體插頭來調(diào)整流速和方向，這種方法有其局限性，水路網(wǎng)絡(luò)的形狀是有限的，所以，冷卻通道離模具的表面遠(yuǎn)，使得冷卻效率低。不僅如此，還不得不面對(duì)額外的加工和裝配時(shí)間，以及盲點(diǎn)的渠道網(wǎng)絡(luò)可能被堵塞的風(fēng)險(xiǎn)；而且，在復(fù)雜的情況下，為了預(yù)留冷卻通道的加工，模具還需要被切分成幾個(gè)部分來制造，然后再拼接成一整塊模具，這導(dǎo)致了額外的制造環(huán)節(jié)，并且還會(huì)縮短模具的壽命。
隨形冷卻方式與傳統(tǒng)冷卻方式的區(qū)別在于，其冷卻水道的形狀隨著注塑制品的外形變化，不再是直線狀的，這種冷卻水道很好地解決了傳統(tǒng)冷卻水道與模具型腔表面距離不一致的問題，可以使得注塑制品得到均勻的冷卻，冷卻效率更高。
3D打印制造使人們擺脫了交叉鉆孔的限制。現(xiàn)在，可以設(shè)計(jì)內(nèi)部通道更靠近模具的冷卻表面，并具有平滑的角落、更快的流量，增加熱量轉(zhuǎn)移到冷卻液的效率；還可以根據(jù)冷卻要求設(shè)計(jì)不同的冷卻回路，旨在以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。冷卻液通過量對(duì)模具的冷卻速度至關(guān)重要，必須設(shè)計(jì)光滑的角落，以減少沿通道的壓力損失。
據(jù)悉，金屬粉末選擇性激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)，在直徑小至1.4毫米的冷卻通道亦可以生產(chǎn)。鋪粉的3D打印制造技術(shù)的一個(gè)好處是，粉末熔化帶來輕微紋理的表面，這種紋理結(jié)構(gòu)增加了冷卻接觸的表面積，帶來更好的傳熱效果，從而提高了冷卻效率，并形成通道內(nèi)小湍流，從而實(shí)現(xiàn)通道自清潔的效果。通過3D打印制造的隨形冷卻注塑模具，可以使注塑成型效率提高達(dá)70%或以上，例如，一個(gè)冰刮刀的模具，通過增材制造方法來加工，可以使得注塑周期從80秒降到40秒，這意味著注塑件的生產(chǎn)速度變?yōu)樵瓉淼膬杀丁?
通過增材制造來制造的隨形冷卻模具的其他主要優(yōu)點(diǎn)，包括：可以成型更均勻的塑件制品，使制品零缺陷，并且避免因冷卻速度不均勻而導(dǎo)致的縮凹痕跡。另外，在開發(fā)新注塑產(chǎn)品時(shí)，有助于實(shí)現(xiàn)通過較少的迭代即可完成新產(chǎn)品的開發(fā)。
當(dāng)然，更多的優(yōu)點(diǎn)還包括：在制造復(fù)雜模具時(shí)，由于減少了冷卻通道加工和拼接的環(huán)節(jié)，增材制造方法比傳統(tǒng)方式更快。
應(yīng)該注意的是，增材制造出來的模具，表面精度不高，要通過后期的精加工和拋光處理來獲得所需的表面精度。在這個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的機(jī)加工與增材制造優(yōu)勢(shì)形成互補(bǔ)。
2007年，史玉升、伍志剛等提出了基于離散/聚集模型的隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)方法，建立了截面為圓形、橢圓形、半橢圓形和U形的冷卻水道的傳熱模型，并使用選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)成功制造了香盒模具。
利用3D打印方法加工的冷卻水道的截面形狀具有多樣性，可以是U形、圓形和橢圓等。隨形冷卻水道采用SLM成型工藝進(jìn)行3D打印，截面選用圓形截面，這樣不僅可減小邊角處的熱應(yīng)力積累，避免注塑時(shí)因應(yīng)力集中造成的模具損壞，還可較為準(zhǔn)確地借鑒傳統(tǒng)注塑模具冷卻水道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，更好地控制模具的壁面溫度。某葉輪塑件的冷卻可分為端面及葉片兩部分，具體的冷卻方案如下：
（1）型腔的冷卻方案。
方案1，冷卻水道直徑為3mm，管道具有1個(gè)入水口，1個(gè)出水口，如圖2a所示。
方案2，冷卻水道直徑為4mm，冷卻水道整體外形為環(huán)形，如圖2b所示。
方案3，冷卻水道直徑為3mm，管道具有3個(gè)入水口，3個(gè)出水口，如圖2c所示。
方案4，冷卻水道直徑為4mm，冷卻水道整體外形為矩形，如圖2d所示。
（2）型芯的冷卻。
方案A，冷卻水道直徑為6mm，冷卻水道整體外形為環(huán)形，如圖2e所示。
方案B，冷卻水道直徑為6mm，冷卻水道整體外形為矩形，如圖2f所示。
在隨意冷卻前期設(shè)計(jì)中使用到一款軟件Moldflow，Moldflow是一款具有強(qiáng)大功能的專業(yè)注塑成型CAE軟件，目前被廣泛應(yīng)用于注射成型領(lǐng)域中的模流分析。Moldflow2014版本更是可以用于隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和優(yōu)化功能。在未來，隨著3D打印技術(shù)不斷的發(fā)展和應(yīng)用，隨形冷卻技術(shù)將會(huì)逐漸成為了注塑模具冷卻系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。用3D打印技術(shù)制造隨形冷卻模具，不僅簡(jiǎn)化了加工工藝，同時(shí)也方便隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的效率使冷卻水道的隨形性更為理想。