增材制造技术为注塑模具热管理与随形冷却水路制造带来了全新的方式。增材制造技术的应用，在提高模具全生命周期的综合价值中发挥了重要作用。

© TCT 亚洲展

与TCT 一起见证更多增材制造可能性

为了使温度保持恒定，模具制造商们先后使用了隔板、散热器、散热管等；还尝试将块状物层压在一起，并在模具上加装结构复杂的钻孔装置。如何快速低成本地完成制造又成了一大难题。

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美国麻省理工学院Sachs教授于1997年首次提出“注塑模具随形冷却技术”概念，设计出与部件轮廓一致的冷却通道被认为是控制注塑制模温度的最佳解决方案。然而随形冷却增加了模具制造的设计难度及制造复杂度，使得大部分传统制造商都对其望而却步。

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3D打印技术作为智能制造的代表制造技术，近年来在我国制造业中得到了广泛运用。使用直接粉末床选区激光熔化3D打印技术，可以在生产过程中将优化的随形冷却水路集成到模具当中。确保散热更快、更均匀，可以降低模具中的热应力并延长模具使用寿命。塑料产品质量和零部件的尺寸精度也得到了提高，同时减少了翘曲变形。

此外，3D打印技术在成形复杂结构方面的优势，摆脱了传统机加工的成形限制，让复杂结构的随形冷却流道（随形水道），从设计变成现实。该工艺还可大幅缩短注塑模具的生产周期。

利用激光熔化来进行数字化制造在许多不同的工业已经成为可行的方案。需要强调的重点是，该技术不仅在快速成型环境里可行，而且在多品种的复杂产品的一系列生产中也是可行的。

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例如，知名模具服务商LBC 使用德国工业级3D打印设备制造商EOS(2021 TCT亚洲展展位号：G14) 的创新激光增材制造技术进行模具制造，并对部分或整个工艺链进行调整以适应客户的运营流程。该公司利用 DMLS 工艺优化模具镶件的散热性，周期缩短了 55% – 从 90 秒缩短到 40 秒，相当于年生产率提高了 125%。3,250 欧元的投资在两个月内得到回报，使用增材技术后公司每年可节省近两万欧元。

 ▲东江模具制造的模仁随形冷却部分© GF加工方案

我国著名模具制造商东江模具，通过GF 加工方案的（2021 TCT亚洲展展位号：H48）增材与减材相集成的完整工艺高效制作注塑模具模仁，在降低整体制造成本的同时，还在提高工件质量方面发挥重大作用。

© 铂力特/ TCT 亚洲展

国内工业级3D打印企业制造的选区激光熔化等一大批工艺装备实现产业化。

铂力特（2021 TCT亚洲展展位号：E30） 曾携设备BLT-A320亮相TCT Asia 2020，BLT-A320打印的零件型面下分布有随形冷却水道，提高了冷却的效率和均匀性。零件大部分区域做了轻量化设计，整体减重24%，节省了原材料、缩短了生产周期、降低了生产成本。

 ▲3D打印汽车模具冷却镶件3D打印© 汉邦科技

© 易加三维

汉邦科技（2021 TCT亚洲展展位号：J14），大族激光（2021 TCT亚洲展展位号：G20），易加三维（2021 TCT亚洲展展位号：G24）等部分厂商的增材制造工艺设备已经达到国际先进水平，这些厂商都将亮相于2021年5月26-28日（周三-周五）在上海国家会展中心举办2021年TCT亚洲展。

除此之外，您将在TCT 亚洲展中看到更多轻量化随形冷却模具解决方案和金属3D打印应用案例，从设计、材料到工艺，全面探索3D打印随形冷却应用，与TCT一起见证增材制造的更多可能性。

l 文章来源：TCT 亚洲展

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本期，3D科学谷通过GE最新在叶片专利方面的进展与谷友共同领略3D打印为叶片打开的新的发展空间。

©US10927680B2
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增材制造实现一体化复杂结构

 新技术突破挑战局限性

暴露在高温下的工作流体中的热气路径组件广泛用于工业机械中。例如，燃气涡轮系统包括具有多个级的涡轮，其叶片从支撑转子盘向外延伸，热的燃烧气体在叶片翼型上流动，机翼必须冷却以承受燃烧气体产生的高温。

冷却不充分可能会导致机翼上产生不必要的应力和氧化，并可能导致疲劳或损坏。因此，翼型通常是空心的，具有一个或多个内部冷却流动回路，该内部冷却流动回路导致多个冷却孔等。冷却空气通过冷却孔排出，以向机翼的外表面提供薄膜冷却。其他类型的热气路径部件和其他类型的涡轮部件可以以类似的方式冷却。

由于组件特定的高温和低温位置，组件或其任何区域可能达到的确切温度变化很大。特别地，该部件可能具有温度相关的特性，该特性可能会受到过热的不利影响。结果，许多热气路径部件可能被过冷以补偿可能在部件上形成的局部热点。但是，这种过度的过冷可能会对整个工业机器的输出和效率产生负面影响。

尽管存在冷却通道，但许多组件还依赖于施加在其外表面的隔热涂层（TBC）来保护组件。如果在热气通道部件的TBC中发生断裂或裂缝（称为剥落），则该部件在剥落处的局部温度可能会升高到有害温度。即使内部冷却回路出现在剥落位置的组件内，也会出现这种情况。一种解决TBC剥落的方法是在TBC下方的冷却孔中插入塞子。当发生剥落时，通常通过暴露于足以使塞子熔化的热量来移除塞子，冷却孔打开，并且冷却介质可以从流体耦合至冷却孔的内部冷却回路中流出。这个过程减少了过冷。然而，塞子的形成是复杂的，需要对材料进行精确的机械加工和/或精确的热处理或化学处理以形成塞子。

3D打印-增材制造技术提供了解决这些挑战的新思路和新的解决方法。

为了解决这些问题，3D科学谷曾分析过GE于2020年9月15日获得通过的专利《turbine airfoil multilayer exterior wall》公开的涡轮叶片具有多层的外壁的翼型设计。涡轮机翼的外壁的层可以间隔开以在其间形成冷却室。冷却室可各自通过在层之间延伸的分隔壁轴向地分隔成多个冷却室。

而根据3D科学谷市场研究团队的发现，GE于2021年2月23日获得通过的专利《Adaptive Cover for Cooling Pathway by Additive Manufacturing》公开了新的解决方案探索。

 成就复杂形状

在专利中，GE通过3D打印-增材制造热气路径（HGP）部件，根据3D科学谷的了解该HGP部件包括：外表面、内部冷却回路，与内部冷却回路连通并朝着内部冷却回路延伸的冷却路径。

热气路径HGP部件和自适应盖通过3D打印-增材制造形成，并且可以包括在自适应盖上的传热增强表面，以在其上的热障涂层（TBC）中被剥落暴露时增加向其的传热。

因此，仅当在其上发生TBC剥落时才移除自适应盖，仅在必要时才允许冷却。当TBC在其上方散裂时，该冷却路径将迅速打开。

参照图13，HGP部件100和自适应盖220可以被3D打印制造，使得自适应盖220与外表面180和冷却路径200一体化形成。

 新赛道提升创新力

增材制造的作用在航空领域不仅精确，而且考虑到所制造零件的复杂性，它的生产速度还足够快。在国内，商发公司牵头国家重点研发计划“增材制造支撑动力装备复杂系统构件创新设计、制造和维修全流程优化的应用示范”项目，包括中国航发606所、624所、608所、614所、航天31所等多家单位参与该项目。3D打印正在助力打造C919的“国产心”

国内民营航空方面，成立航空2015年开始用增材制造技术进行航空发动机燃烧室零部件研发制造。成立航空在增材制造应用方面开展了燃烧室喷嘴、燃烧室旋流器、燃烧室火焰筒、电机壳体等部件的研发工作。在金属3D打印进入到量产的产业化前景方面，成立航空正在推进发动机电机壳体的量产。

更多信息,参考3D科学谷发布的《一文洞悉国内航空发动机叶轮叶片3D打印进展到哪里了？》《一文领略国内在3D打印航空发动机领域的研究进展》《3D打印与航空发动机白皮书》。

l 文章来源：3D科学谷市场研究团队

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此前，3D科学谷分享过UTC联合技术开发的带有点阵结构冷却方案的燃气涡轮发动机部件，本期，3D科学谷与谷友共同来深度洞悉西门子3D打印带有点阵冷却结构的燃气涡轮机部件。

在燃气涡轮发动机中，通常环境空气通过压缩机部分压缩并提供给燃烧器，燃气涡轮发动机的燃烧器将空气与燃料一起燃烧，为随后的涡轮部分提供驱动力，其中来自燃烧器的热流体将驱动涡轮的转子叶片，从而再次驱动轴的运转。

西门子燃气轮机的示意图。来源：US10781696B2

在经过燃烧器的下游部分中，温度可以高达1,500C甚至更高。尽管如此，通常用于燃气涡轮发动机的材料不能承受800C以上的温度。因此，可能需要将这些组件冷却或需要特殊的涂层来保护组件。通常可以从压缩机抽取一部分空气或流体的方式进行冷却-即从主流体通道分支出来-并引导至需要冷却的组件，然后通过不同的措施在待冷却部分进行冷却，例如冲击冷却，膜冷却，喷射冷却，蒸腾冷却或对流冷却。必须意识到，组件的寿命在很大程度上取决于该组件多大程度上不会经受超过预期温度水平的温度。

燃气涡轮发动机中最热的区域位于燃烧室中，组件所经历的温度水平可能会在发动机内的不同位置发生变化。例如，燃烧衬套壁的上游区域可经历比相同燃烧衬套的下游区域更高的温度。

开启结构一体化潜力

 结构一体化

通常，燃气涡轮发动机中待冷却的部件基本上是燃烧室，涡轮部分和过渡件，即位于燃烧室和涡轮部分之间的过渡管道的一部分。根据西门子2020年9月22日获得通过的专利US10781696B2，西门子开发了用于制造涡轮机部件的方法，该方法包括产生如先前定义为一体成形的涡轮机部件的步骤与技术。根据3D科学谷的了解，通过3D打印-增材制造技术，特别是PBF基于粉末床的选区激光熔化或电子束熔化逐层构建组件，从而减少零件的数量，以结构一体化的方式获得整个组件。

西门子三维燃烧器头剖视图。来源：US10781696B2

 点阵

通过增材制造技术，可以在组件中构建复杂的点阵晶格结构。根据3D科学谷的了解，西门子实现的高效冷却是通过点阵结构提供的，通过点阵结构还可以引导冷却空气或冷却流体，压缩机的出口温度可能达到350至550C。

西门子晶格结构由以周期方式布置的圆锥形支柱限定。来源：US10781696B2

支柱存在于点阵晶格结构中，支柱提供了足够的热传导，从与支柱相连的高温通过支柱进入了点阵晶格结构。支柱内部的热量可以通过使冷却流体流过格架结构的空隙来传递。被多个支柱穿透或刺穿的空隙以曲折的形式限定了流动路径。冷却流体通过大量的支柱，从而绕过格栅结构并提供良好的热传递，以冷却涡轮机部件的第一部分主体。

西门子燃烧器头。来源：US10781696B2

支柱是杆状的，这种形状的支柱称为塔架。支柱可以是柱状的，还可以是圆柱形的。这些构造是有益的，因为冷却流体可以沿着相应的支柱的整个圆周通过。根据3D科学谷的了解，点阵晶格结构通过3D打印增材制造技术实现，这些结构无法通过先前已知的技术（例如在实体上进行切割或钻孔）来实现。

3D科学谷Review

将点阵结构应用与冷却方案中，各大燃气轮机、航空发动机制造商纷纷发力，根据3D科学谷的了解，UTC联合技术所设计的点阵结构可以适应于任何给定的燃气涡轮发动机部件或部件的某个部分的特定冷却需求。换句话说，通过改变点阵结构的设计和密度，可以调整以匹配外部热负荷和局部寿命要求。

不过对于任何给定的点阵结构来说，实际设计可取决于部件的几何形状。还需要考虑各种要求，包括压力损失、局部冷却流量、冷却空气热量吸收、热效率、总体冷却效率、空气动力学混合和可生产性考虑，并且还需要考虑燃气涡轮发动机的特定参数。

正如ACAM中国王晓燕在《3D打印助力动力装备发展报告》提到的，为了简化理解3D打印在动力零件的应用逻辑，可以把动力装备的发展要求概括为亮点：爆发力强、安全性高。而3D打印释放了设计与制造的自由度，通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；另一方面，通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。

而点阵结构与冷却通道的结合，可谓是充分3D打印优势的”神来之笔”！

不仅仅航空航天及燃气轮机领域，点阵结构用于提高热交换效率也在汽车行业获得了踊跃的尝试，在这方面，根据3D科学谷的市场观察，不少公司进行了通过点阵结构进行散热的商业化努力，其中包括HiETA Technologies与Delta Motorsport合作设计和制造、用于微型燃气涡轮系统的并流换热器，以及Conflux所制造的下一代高效能热交换器。而此前，菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）还与McMaster大学建立了一项合作，目标是设计一种新的铝制汽车散热器，使得通过3D打印技术实现的汽车散热器可以比FCA集团生产的汽车中使用的汽车散热器更轻，并且还可以保证其性能。

不过，点阵结构并不容易驾驭，在这方面，国内安世中德开发的Lattice Simulation大大减轻了点阵设计中的挑战。详情请点击《微课 l 点阵结构设计与仿真分析》。

更多深入的分析，请参考3D科学谷发布的《3D打印与发动机白皮书2.0》

参考来源：US10781696B2

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基于粉末床激光熔化工艺的3D打印技术在其中所发挥的关键作用是，实现传统工艺所无法实现的复杂随形水路设计。但在这一应用中，3D打印材料对于模具寿命的影响，也是一个不应忽略的因素。在实际注塑生产应用中，随形冷却水路可能会因腐蚀而发生失效，从而降低预期的模具寿命，并削弱3D打印随形冷却模具为缩短注塑周期所带来的价值。

根据3D科学谷的市场观察，随着随形冷却模具在注塑生产中的应用发展，用于3D打印随形冷却模具制造的粉末材料，也在根据下游注塑产品的需求进行改进与优化。本期，3D科学谷分享的是奥地利联合钢铁集团（Voestalpine）旗下材料制造商的应用案例，在该案例中，制造商通过改进的3D打印材料，来克服因腐蚀引起的模具型芯失效，显著提高了随形冷却模具的寿命。

来源：Uddeholm

 耐腐蚀无需镀镍

l 应用

来源：Uddeholm

通过3D打印随形冷却模具，生产PVC材料的医疗试管。打印工艺为粉末床激光熔化；打印材料为1.2709工具钢，模具型芯被硬化到48-50HRC。预期注塑件生产总数量为500万个每年。

l 挑战

通过以上工艺及材料，能够实现传统工艺无法实现的随形冷却水路设计。随形冷却水路在注塑生产过程中，带来更均匀的冷却，缩短循环时间并提高冷却效率，从而带来更好的零件质量。

来源：Uddeholm

但在进行注塑生产的过程中，1.2709工具钢材料表现出了其局限性。在生产了40万个零件之后，受到冷却通道腐蚀的影响，型芯破裂。

来源：Uddeholm

这也是1.2709材料出现的典型故障。因为随着注塑时间的延长，沉积物会在冷却通道中积聚，尤其是在不处理冷却水并且过滤效果不好的情况下，会出现这种现象。而这一现象导致冷却水路的热传递性能下降，从而降低模具效率。为防止腐蚀发生，制造商通常会为1.2709 模具型芯镀镍。

l 解决方案

来源：Uddeholm

奥钢旗下的材料制造商开发了耐腐蚀的3D打印模制钢粉末材料Uddeholm AM Corrax®，针对性的解决以上出现在PVC 注塑模具随形冷却型芯中的问题。该材料可抵抗冷却通道中的沉积物堆积，从而防止腐蚀，并且在冷却通道中不需要任何涂层。

l 结果

通过Uddeholm AMCorrax®材料生产的随形冷却模具型芯，提高了模具寿命，迄今已生产了78万个注塑件，并且在没有进行维护的情况下继续用于注塑生产。

通过上图中的右图可以看到，Uddeholm AMCorrax®的应用比1.2709工具钢更具经济性。经济性来源于两方面原因，一方面是节省了镀镍的成本，但更关键的是，由于生产停工时间和停机次数的减少，而提高了整个注塑生产的经济效益。

 3D科学谷Review

根据细分应用领域的需求，开发更高性能的新材料，也是近年来3D打印走向生产的重要推动力量。

来源：《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》

随着随形冷却模具的在注塑生产中的应用发展，用于随形冷却水路型芯制造的3D打印材料将继续得到改进与优化。从量变到质变，结合随形冷却水路的先进设计，打印材料的每一次改进，都将成为推动3D打印随形冷却模具技术进入更多注塑领域的星星之火。

更多3D打印模具制造技术及应用，请前往《3D打印与模具行业白皮书2.0》*。

文中案例来源：

Scott Cottrell，Component & Additive Manufacturing Business Manager，Uddeholm.

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注射成型对于大量生产形状复杂的塑料产品是必不可少的加工工艺。而为了注塑过程中更好的冷却效果，靠近模具表面的随形冷却通道是设计上的难点之一。由熟练的设计者开发出优良的冷却系统是重要的。值得欣喜的是，智能化的设计工具正在取代人工设计过程，在这方面，欧特克大学日本近日通过创成式设计实现了随形冷却模具冷却管路的自动化设计。

来源：欧特克

 人类难以实现的设计

松下公司利用LUMEX Avance-25混合3D金属打印机进行模具制造。传统的模具内冷却通道是通过二次加工来实现的。通过交叉钻孔产生创造管直线的内部网络，通过内置流体插头来调整流速和方向。3D打印制造使得模具制造商摆脱了交叉钻孔的限制。

来源：欧特克

现在，可以设计内部通道更靠近模具的冷却表面，并具有平滑的角落，更快的流量，增加热量转移到冷却液的效率。还可以根据冷却要求设计不同的冷却回路，旨在以一致的速度进行散热，以促进散热的均匀性。松下公司通过随形冷却，与使用通过钻孔形成的直管的常规方法相比，冷却时间减少了约20％。

不过令人印象深刻的是，松下公司的随形冷却通道是通过智能化的软件工具实现的，通过结构分析，创成式设计可以平滑地创造出人类无法想象的形状。与拓扑优化相比，设计者发现拓扑优化只能为给定条件提供一种解决方案，并且很难使最终的形状平滑。相反，创成式设计可以实现平滑的形状。

来源：欧特克

在通过创成式设计软件进行自动设计的过程中，冷却管道的形状随着计算而改变，并且仅在必要的部分出现管道的形状。另外，还出现管道在中途分支的独特形状。这让设计师对这样的从未见过的形状感到惊讶，创成式设计中呈现的所有形状都不是日常中能想到的。

当然创成式设计带了的是许多设计结果，需要通过Autodesk Moldflow的模流仿真软件来提高设计完整性，而不是仅仅依靠设计师的技能。

 3D科学谷Review

乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过，21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。

工业制造领域中有很多零部件或机械的设计都是从生物学中得到的灵感，比如说潜艇的设计是从海豚体形或皮肤结构中得到的灵感….这样的例子在工业领域还有很多很多。

那么，为什么我们需要将生物学的概念引入制造中呢？大自然创造的生物结构巧妙而复杂，人们如何将这些大自然的作品“复制”到工业制造中呢？日益发展的智能化设计软件与3D打印技术为我们提供了一条创造仿生结构的捷径。

当前在3D打印领域，提到最多的可能是拓扑优化，而不是创成式设计。虽然很多场合二者都是混为一谈的，但细究起来创成式设计（Generative Design）是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到一个（优化）模型。拓扑优化（Topology Optimization）是对给定的模型进行分析，常见的是根据边界条件进行有限元分析，然后对模型变形或删减来进行优化。

创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。

例如，人体骨骼具有复杂的内部和外部特征，由硬质外皮（骨皮质）骨形成刚性外层，但还需要允许血管这样脆弱的组织穿过骨骼内部的蜂窝状结构。这种蜂窝材料由胶原纤维组成，具有令人难以置信的抗拉强度和抗压强度。因此，蜂窝结构已经被大量需要轻量化的结构所采用，从飞机涡轮叶片到生活中不起眼的纸板箱中。在所有这些应用中，蜂窝使得零件更坚固和更轻。

创成式设计是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图，通过”创成式”系统，生成潜在的可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

通俗理解创成式设计是一种通过设计软件中的算法自动生成艺术品、建筑模型、产品模型的设计方法。创成式设计是一种参数化建模方式，在设计的过程中，当设计师输入产品参数之后，算法将自动进行调整判断，直到获得最优化的设计。目前比较著名的创成式设计软件包括欧特克的Within，欧特克的Dreamcatcher，西门子的Solid Edge ST10等。

创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感，创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。3D打印技术由于可以将复杂的设计转化为现实，注定已成为创成式设计的“好伙伴”。

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然而这一应用在实际推广中所面临的挑战之一是模具制造商易于感知到的制造成本较之传统模具有所上升，但随形冷却水路为整个注塑生产周期所带来的附加价值容易被用户所忽略。有关3D打印随形冷却模具的价值，3D科学谷在《3D打印模具的价值怎么衡量？》一文中进行了分析。

同样的挑战也存在于压铸模具3D打印随形冷却水路的应用中。北美压铸模具制造商Exco Engineering在大型汽车零件压铸模具制造中应用了3D打印随形冷却水路，他们利用3D打印随形冷却水路镶件克服现有模具在压铸过程中所存在的热失衡问题，先后克服了3D打印模具镶件材料，建立了设计法则，并对3D打印模具的制造成本以及为汽车零件压铸生产所带来的价值进行了衡量。

本期，3D科学谷将分享Exco 对压铸模具3D打印随形冷却水路的应用探索，通过这一案例洞悉3D打印技术在汽车零件压铸模具制造中的应用挑战、应用价值。

Exco 3D打印压铸模具随形冷却镶件。来源：Modern Machine Shop

 设计、材料、工艺，全面探索3D打印随形冷却应用

Exco 是一家高压压铸模具制造商，其客户包括北美三大汽车制造商。Exco 生产几种关键汽车零件的压铸模具，包括发动机缸体模具，分动器模具，仪表盘和车身面板模具，车轮以及发动机支架模具。Exco交付给客户的某些模具，例如V8发动机缸体模具，可能重达数十吨。

Exco交付给客户的压铸模具。来源：AM

Exco生产的典型压铸模具由多个零件组成，其中一些零件需要复杂的机械加工才能实现复杂的功能，例如穿线和冷却水路。模腔镶件就是其中一个很好的例子，由于几何形状复杂，模腔镶件需要单独进行加工，在完成后被插入模具的凹槽中。虽然将镶件独立加工，可以使切削刀具在加工时接近零件的外表面，但受限于机械加工方式，镶件内部的冷却水路仍限于基本的线性形状。这将会导致在铸造中和铸造后模具冷却过程中的热失衡，进而为零件铸造带来一些问题。

Exco团队通过热应力模拟和实际测试，对粉末床激光熔化3D打印技术在压铸模具制造中应用进行了多年的研究，在这一过程中，他们逐渐找到了冷却水路的增材制造设计经验法则，并找到了适合的打印材料与改善打印质量的方式。

其增材制造部门还对3D打印压铸模具在下游的应用进行了研究，包括使用3D打印的压铸模具铸造汽车动力传统系统、车身和结构零部件。在压铸工艺中，熔融金属在高压下被压入模具的型腔，这一过程对于金属3D打印模具来说是一种极为恶劣的工作环境。

在模具冷却水路的设计方面，Exco 团队通过3D打印技术实现了压铸模具冷却水路设计的突破。典型镶件冷却通道设计的经验法则是，通道距压铸模具表面不小于0.75英寸（1.905厘米），小于这个距离都将面临失败。然而，热力学和机械仿真验证以及3D打印技术，使得Exco团队采用随形冷却通道突破这一设计极限，缩小了冷却通道与压铸模具表面的距离。

热图显示了常规（线性）冷却水路与3D打印随形冷却水路相比所产生的巨大温差。来源：AM

Exco 在3D打印随形水路镶件开发中遇到了材料方面的挑战。以往使用的模具标准材料H13工具钢在粉末床熔化增材制造工艺中表现不佳。使用H13工具钢材料制造的部分3D打印模具零件会产生破裂并充满气孔，当Exco在20毫秒内以13,000 PSI的压力、水线距离表面1毫米的条件下注入金属时，如果发生水线破裂，将带来很大的安全隐患。即使在增材制造过程中正确的进行了设备预热，缺陷也会持续存在。其中的原因在于，H13合金钢中的高碳含量会导致整个材料中形成微裂纹。

3D打印马氏体时效钢专有热处理工艺。来源：AM

对于材料中存在的挑战，Exco团队找到的解决方案是用具有低碳含量的马氏体时效钢替代H13工具钢，作为模具镶件的3D打印材料。Exco还与研究机构合作，为3D打印马氏体时效钢创建了专有的热处理工艺。根据Exco的验证，结合适当的热处理和时效工艺，马氏体时效钢的总体机械性能达到并超过了用于压铸的传统工具钢，同时保持了较高的尺寸稳定性和低变形。Exco已经用马氏体时效钢材料制造了3D打印模具镶件，其使用寿命超过了15万次。

对于打印过程中存在的弯曲和翘曲问题，Exco 通过预应力CAD模型抵消在打印过程中发生的弯曲和翘曲。Exco后来购买了四激光器3D打印设备，其中四个400瓦光纤激光器在单独的象限中运行，中心重叠区域为100毫米，在制造单个大型零件时，由于温度更加稳定，限制了零件整体变形情况。

大型汽车压铸模具中的热平衡非常难以控制，这样一现象不仅会影响性能，而且还会影响铸造周期，报废率和人工成本。对于3D打印在压铸模具制造中的应用价值Exco的体会是，增材制造-3D打印的压铸模具可以提供独特的竞争优势，包括制造带有随形冷却水路的压铸模具镶件，这些3D打印水路比传统水路更加贴近模具表面。带有3D打印随形冷却水路的压铸模具在压铸制造时所需的循环时间减少，废品率和人工成本都得以降低。

3D打印技术在压铸模具镶件中的应用虽然使得制造成本提高了2-5倍，但在后续压铸生产环节中不仅能够制造出胜过传统模具铸造出的零件质量，还节省了大量压铸时间，从整个压铸生命周期中来看，与传统技术制造的镶件相比，可以节省数千美元成本。

带随形冷却水路的3D打印水套零件。来源：AM

值得一提的是，除了在压铸模具制造中的应用，Exco 还将3D打印随形冷却水路技术应用在了汽车发动机水套的制造中，希望通过3D打印技术克服传统水套铸造存在的问题，制造更高性能的发动机水套。

水套是发动机用于转移热能的零件，其实就是一只多孔水管，属于难加工零件。传统制造方式中，水套压铸模具的表面温度变化可能高达220°华氏度，因此在铸件的金属注入阶段经常会发生焊料积聚。抛光焊料所导致的机器停机，将产生昂贵的时间成本。除此之外，这些区域的疲劳易导致水套破裂，并导致发动机缸体本身的冷却液和机油通道之间发生泄漏。

Exco 的其中一家汽车制造商用户正在测试3D打印水套。在3D打印水套零件的表面附近包含一条水线，能够大大降低温度的变化，并限制焊料的形成。通过3D打印技术所实现的水套水线设计改进，将显著提升水套性能。Exco 认为即使是以传统水套5倍的成本来制造3D打印水套，在性能方面的提升也足以体现出3D打印水套的价值。

更多信息，请参考3D科学谷发布的 《3D打印与模具行业白皮书2.0》。

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根据3D科学谷的市场观察，AddUp 将进一步拓展模具增材制造业务， 他们与塑料和复合材料制造技术中心IPC 合作，升级注塑模具散热冷却解决方案，为模具制造用户以及注塑生产用户提供全球解决方案。

3D打印随形冷却水路模具。来源：IPC

 关注整个注塑生产周期

AddUp与IPC 宣布共同创建一个针对模具增材制造的专用平台ADDILYS，该平台用于升级模具增材制造技术解决方案，目标是为模具制造商提供模具设计、样件以及制造服务。

AddUp和IPC 拥有不同的技术能力与专业知识。IPC 是由塑料加工制造商所创建的，在塑料加工、优化的热解决方案和3D打印模具设计方面拥有专业知识，能够帮助塑料产品制造商改善注塑生产周期和生产率。双方将针对塑料制造商，部署定制化的、优化的模具散热/冷却解决方案。

AddUp 表示这些技术将显著提高注塑生产率，使从模具制造商以及注塑生产用户在整个注塑生产周期中受益。

 3D科学谷Review

在此之前, AddUp 在复杂金属轮胎模具的增材制造以及3D打印散热部件开发方面积累了经验。

母公司米其林已通过AddUp 技术制造的金属3D打印轮胎模具生产了一系列轮胎产品。延伸阅读：米其林推出新一代摩托车轮胎; 米其林将金属打印技术用于更好的轮胎。在3D打印散热部件开发方面，AddUp与合作伙伴成立了HEWAM项目，旨在开发一种发挥3D打印-增材制造的所有潜力的换热器。延伸阅读：与发动机的曲率拟合，3D科学谷带您了解3D打印如何成就共形、薄壁的热交换器。

AddUp 在宣布创建模具增材制造的专用平台ADDILYS时提到，将使模具制造商以及注塑生产用户在整个注塑生产周期中受益，而这也正是3D打印随形冷却模具容易被模具制造用户所忽略的价值。

3D打印随形冷却模具。
来源：《3D打印模具白皮书v2版本》，将于2019年10月发布。

通过3D打印来制造随形冷却模具，让模具的价值变得更加难以评估。因为随形冷却模具改变了注塑的周期，并可以有效避免注塑过程中的翘曲变形，如何准确地评估模具在整个产品注塑生命周期内的总拥有成本成为颇具挑战的事情。

3D科学谷在《3D打印模具的价值怎么衡量？》一文中，分析了3D打印技术随形冷却模具中容易被模具制造用户所忽略的价值，包括材料的节约，后期机加工过程中对刀具磨损的减少，以及对机床占用成本的降低等等。因此，衡量模具的价值也从单纯评估模具的价格，转变为全生命周期（模具3D打印生产，后处理加工，注塑过程模具寿命，注塑成功率，产品质量等等），包含了各方面因素的附加值创造考量。

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3D打印正在助力燃料喷射器实现更为稳定高效的性能。本期，3D科学谷将与谷友分享UTC联合技术3D打印VESL血管结构应用于燃料喷射器系统的冷却方面的创新。

 更高效的冷却更稳定的发动机

燃气涡轮发动机，包括为现代商用和军用飞机提供动力的燃气涡轮发动机，其结构包括用于加压空气的压缩机部分，用于燃烧碳氢化合物燃料的燃烧器部分，以及涡轮部分。发动机通过从燃烧气体中提取能量并产生推力。

燃烧器区段通常包括多个周向分布的燃料喷射器，燃料喷射器轴向地突出到燃烧室中以供应燃料从而将让了与加压空气混合。燃气涡轮发动机通常包括多个单独控制的集中式分级阀，与一个或多个燃料供应歧管组合，燃料供应歧管将燃料输送到燃料喷射器。

燃烧器部分的示意性剖视图。来源：US10400674B2

每个燃料喷射器通常包含连接到底座处的歧管的入口配件，连接到底座配件的导管或杆，以及将燃料喷射到燃烧室中的喷嘴尖端组件。在运行过程中，通过适当的阀和/或分流器以引导和控制通过喷嘴组件的燃料流。

喷嘴组件通常包括引导喷嘴和主喷嘴。通常，主喷嘴用于正常和高功率情况，而导向喷嘴用于启动操作。喷嘴在导管中具有相对小的开口和燃料通道，由于高燃料温度，这些开口和燃料通道易于形成焦炭沉积。焦炭形成可能导致燃料开口变窄，使得燃料燃烧不均匀和维护的需求增加。此外，焦炭还可能在燃料喷射器的燃料管道中形成，并最终阻塞燃料喷射器喷嘴的尖端开口。

传统的燃料喷射器设计通常利用围绕燃料喷射器管道的隔热罩来提供绝缘的静态气隙并降低扩散器壳体内燃料的传热率。

根据3D科学谷的市场研究，UTC联合技术开发了一种新的燃气涡轮发动机的燃烧器区段的冷却燃料喷射器系统。将3D打印应用到复杂的VESL血管结构的制造。燃料喷射器系统部件内部包含了血管工程（VESL）结构，该VESL结构与第一冷却流体的源流体连通。

VESL结构178通过选区金属激光熔化（DMLS）或电子束融化技术（EDM) 增材制造工艺来制造。
来源：US10400674B2

VESL结构是中空血管结构，其中第一冷却流体在VESL结构的一个或多个节点和分支的中空通道内连通。系统还包括第二冷却流体源，第二冷却流体的温度低于靠近燃料喷射器系统的核心气流的温度。

壳体通过选区金属激光熔化（DMLS）或电子束融化技术（EDM) 增材制造工艺来制造。
来源：US10400674B2

VESL结构设置在燃料喷射器系统部件的壁之间，并且VESL结构由空隙围绕，空隙被配置成用于使第二冷却流体围绕VESL结构的节点和分支通过。

 3D科学谷Review

不仅仅是UTC通过3 D打印获得了燃料喷射器制造的创新，根据3D科学谷的市场研究，此前GE为了平衡燃烧器的整体排放性能和热效率，将燃料喷射器的一部分通过衬里向内径延伸到燃烧气体流场中。然而，这种方法将燃料喷射器暴露在热燃烧气体中，可能会影响组件的机械寿命和导致燃料焦炭积累。根据3D科学谷的市场研究，GE通过3D打印技术改进了用于将燃料喷射器延伸到燃烧气体流场中的冷却系统。

GE于2017年1月24日获批的专利包括燃料喷射器主体，包括确定主体包括冷却通道的三维建模信息，将三维建模切分成多个切片横断层，并通过电子束融化技术将各层熔化凝固起来，从而制造出燃料喷射器主体。GE获批的专利还包括用于冷却延伸到燃烧气体流场的燃料喷射器的系统。根据3D科学谷的市场研究，该系统包括通过燃烧室限定燃烧气流路径的衬里、通过衬里延伸的燃料喷射器开口和燃料喷射器。

通过激光熔融金属3D打印技术，每层的尺寸在0.0005英寸到大约0.001英寸之间。GE在该专利中所使用的是（但不限于）EOSINT™ M 270 , 以及PHENIX PM250, 或者EOSINT™ M 250 。根据3D科学谷的市场研究，GE所采用的金属粉粉末成分中含有钴铬，例如（但不限于）HS1888和INCO625。金属粉末的粒径大约在10微米到74微米之间，最好是在大约15微米和大约30微米之间。

喷油器主体采用直接激光融化（DMLS）或电子束熔化EBM技术制造。激光熔融3D打印增材制造工艺允许更复杂冷却通道模式，这样的通道几乎无法通过传统的制造方法制造。此外，增材制造减少潜在的泄漏和其他潜在的不良影响，例如通过传统方法需要有多个组件钎焊或结合在一起以形成冷却通道，这不仅仅增加了工艺的复杂性和程序，还带来了潜在的质量隐患。而3D打印可以避免钎焊的需求，减少质量隐患。

总之，不管是多管气体分配回路，还是延伸到燃烧气体流场中的冷却系统，带中空壁热屏蔽结构的燃料喷射器，亦或是VESL血管结构应用于燃料喷射器系统的冷却，3D打印都在助力燃料喷射器实现更为稳定高效的性能。

参考资料：
US10400674B2_Cooled fuel injector system for a gas turbine engine and method for operating the same_20190917

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注射成型过程中，冷却所占比例约为成型周期的60%，因此冷却周期很大程度上直接影响到生产周期。生产周期的降低可以大幅度提高生产效率，从而节约对注塑机设备、场地和人员的投资。大幅降低制造成本，提高模具企业的利润。

传统生产加工中，我们所采用的冷却管道为横平竖直样式，很多区域受到现有加工技术限制不能做冷却管路，这样极大了影响了最终成型周期及产品质量。随形冷却采用粉末逐层烧结技术，这就赋予了设计的自由性，让管路随着产品的外形布局，让设计者不再受加工技术的限制，让所想即所见成为现实。

 随型冷却水路基本设计准则

1) 水路的直径：通常水路直径在大于Ø1时才能起到冷却效果。

2) 横截面面积：尽管3D打印可以定制形状，但是在设计水路横截面是应保证水路截面积保持不变，从而保证恒定体积的冷却液通过管道。

3) 与模具表面的距离：一般传统水路管壁到胶位的最小距离为水路直径的1-1.5倍。但是3D水路运用的案例一般局部距离较为局促，我们需要保证水路到胶位的距离不变（一般最小为2MM），从而达到均匀的冷却效果。

4) 冷却水路长度：尽管3D打印水路不存在传统加工时的钻头钻偏错位，但是3D水路也不宜过长，以便冷却水快速的进出，保证热量被快速带走。

5) 冷却分支：尽管多分支水路视觉冲击感很强，但是实际成产中往往会遇到很多不可察觉的问题。

 不同形式的随形冷却分类

1) 有分支的随型冷却设计

2) 无分支的随型冷却设计

3) 栅格类随形冷却设计

 有分支的随型冷却设计：

a) 减少了进出水的接口数量

b) 设计难度相对来说稍大

c) 堵塞后难以清洁、疏通

d) 容易产生“死水”

 无分支的随型冷却设计：

a) 最常见的设计形式

b) 设计的简便性

c) 稳定的水流量

d) 清洁的便利

 栅格类的随形冷却设计:

a) 适用于一些位置狭窄的模具镶件冷却

b) 减少了进出水接口的数量

c) 很容易堵塞

d) 生锈或堵塞后难以清理

e) 容易产生“死水”

f) 降低镶件的机械强度

 案例分享

协助客户改善汽车灯的问题

挑战：壁厚较厚的产品容易造成周期长，产品内部容易出现问题

结果：采用随形冷却优化，将循环时间从600s减少到120s，提高产品质量。

文章来源：EOS

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 正在进化中的冷却系统

总的来说，数据中心内所有服务器产生的热量都很大。遗憾的是，使用传统的空调系统从数据中心去除这些热量是昂贵且低效的。在数据中心安装空调需要大型计算机房空调（CRAC）单元，空气处理设备和相关管道都需要大量的前期资本投入，另外维护CRAC单元的持续运营是另外一项不菲的开支。此外，CRAC装置的热力学效率较差，这意味着数据中心每月的公用事业成本较高。为了降低运营数据中心的成本，从而降低依赖于数据中心的云计算服务的成本，迫切需要更有效地冷却数据中心内的服务器。

3D科学谷了解到根据美国能源部的数据，美国近三成的电力用于为数据中心和计算机设施供电。大约一半的电力用于电力调节和冷却。由于依赖于复杂电气部件（包括电池，逆变器和电动机）的混合动力和电动车辆的采用越来越多，因此运输系统中也需要更有效的冷却系统，使得电气部件产生的大量热量得到有效消散量。

为了节省能量，企业在开发新的冷却系统，可以使微处理器在较低温度下运行，为微处理器提供始终如一的较低操作温度还可以延长其使用寿命，并且可以避免由于不安全的结温导致的不必要的节流（动态频率缩放）或计算机的停机时间。

下一代微处理器的运行速度将继续增加，下一代微处理器产生的热通量（定义为每单位面积的热负荷）也将继续增加。传统的空气冷却系统很快就无法有效地冷却这些下一代微处理器。因此，新的冷却系统需要比现有的空气冷却系统明显有效和高效，能够管理由下一代微处理器产生的高热通量。

泵送液体冷却系统可以提供优于传统空气冷却系统的散热性能。泵送液体冷却系统通常包括通过管道连接的以下部分：连接到微处理器的散热器，液体 – 空气热交换器，以及使液体冷却剂循环通过系统的泵。当液体冷却剂通过散热器中的通道时，来自微处理器的热量通过导热散热器传递到冷却剂，从而提高冷却剂的温度并将热量从微处理器传递出去。散热器通常设计成通过最大化液体通过的通道的表面积来最大化热传递。散热器可以是微通道散热器，利用液体冷却剂流过的细翅片通道。然后，离开散热器的液体冷却剂循环通过液体 – 空气热交换器，在热交换器中，热量被排出到周围的空气中，冷却后的液体冷却剂循环回到泵进行另一次循环。

这种封闭式液体冷却系统的使用正开始从高性能计算机推广到个人计算机。遗憾的是，现有的液体冷却系统具有性能限制，这使得这种方法很难有效地冷却下一代微处理器。这是因为如果在使用水或水 – 乙二醇混合物的液体在冷却系统中发生泄漏，水将破坏服务器并可能破坏整个机架的服务器。根据3D科学谷的市场研究，由于单个服务器的价格为数千美元甚至数万美元，许多数据中心运营商根本不愿意接受水基液体冷却系统带来的损失风险。

虽然比空气冷却更有效，封闭式液体冷却系统需要显着的液体冷却剂流速，实现高流速通常需要高流体压力。因此，设计用于冷却现代微处理器的液体冷却系统可能需要大型泵或位于整个液体冷却系统中的一系列小型泵，以确保足够的液体冷却剂压力和流速。操作大型泵或一系列小型泵会消耗大量能量并降低冷却系统的效率。此外，使用一系列小型泵会增加冷却系统出现机械故障的可能性，从而导致不必要的设备停机。

 3D打印将复杂的冷却简单化

根据3D科学谷的市场研究，如果没有冷却系统领域的进一步创新，下一代微处理器的实施将受到阻碍。

根据3D科学谷的市场观察，Ebullient LLC正在通过3D打印技术和其他技术的结合来提供下一代微处理器的冷却解决方案。与水不同，介电冷却剂可以与电子设备直接接触而不会对其造成伤害。遗憾的是，介电冷却剂的比热比水低，因此它们不适合用于单相泵送液体冷却系统。例如，一些电介质冷却剂，例如某些氢氟醚具有约1300J /（kg-K）的比热，而水具有约4,181J /（kg-K）的比热。这意味着通过合理地加热介电冷却剂流来冷却微处理器将需要比用于通过合理地冷却相同微处理器的水的流速高大约四倍的流速。这种较高的流速需要更多的泵功率，这意味着更低的冷却系统效率。

图片：通过3D打印冷却装置110

Ebullient LLC正在开发的冷却解决方案具有高效率、模块化、灵活、快速连接、小尺寸和热插拔性的特点，冷却装置可以制成适合于结合在汽车，飞机和其他车辆中的较小尺寸，这可以结合到需要冷却的电池，逆变器和其他电子设备中，并且可以小型化以用于平板计算机以及手持移动电子设备中。散热器模块*的冷却剂通道可以通过3D打印技术直接形成在移动设备的电路板上。当然，3D打印还可以直接将冷却剂通道打印在移动设备的处理器，存储器模块或其他电子组件上。

参考资料：US9852963B2microprocessor assembly adapted for fluid cooling

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