3D列印模具隨形冷卻水路在設計時需要注意哪些細節？

注塑模具的隨形冷卻水路製造是3D列印領域的熱門話題之一，3D列印技術使冷卻水路的製造避免了交叉鑽孔的限制，3D列印的隨形冷卻水路還可以根據冷卻要求進行不同的冷卻迴路設計，從而以一致的速度進行散熱，以促進散熱的均勻性。在部分模具製造廠商中，隨形冷卻模具業務已佔到總業務的40%。

那麼，3D列印隨形冷卻水路的設計原則與傳統冷卻水路有什麼不同？ 傳統冷卻水路的設計與製造中，有哪些可以借鑒的經驗？以下幾點由模具增材製造專家分享的設計經驗將給這些問題帶來一定啟發。

傳統冷卻水路設計

是隨形水路的設計基礎

水路的直徑。使用鑽孔方式製造的傳統冷卻水路常用的直徑為7/16英寸（約11.11 mm）。通過這種方式製造的冷卻水路，如果直徑過大，將可能導致水路難以接近模具表面，同時避開模具部件。如果直徑過小，在水路加工時可能會發生鑽頭漂移。雖然，增材製造技術規避了鑽孔方式的一些局限性，但是在設計水路時仍需將直徑設定在經過實踐驗證的常用尺寸範圍內，從而降低這種技術的不確定性。

圖1 左圖是傳統鑽孔方式加工的冷卻水路，右圖是隨形冷卻水路。傳統冷卻水路的冷卻時間為50.89秒，隨形冷卻水路冷卻時間為44.97秒，減少了12%。

橫截面面積。在通過鑽孔方式加工冷卻水路時，水路的橫截面積始終是保持不變的。儘管通過3D列印技術可以製造出一條擁有多種不同形狀的水路，但是在設計3D列印隨形冷卻水路時應保持水路的橫截面積不變，從而保證恆定體積的冷卻液體通過水路。

圖2 截面為淚滴形狀的冷卻水路。入口和出口處的直徑為7/16英寸（約11.11 mm），淚滴形狀水路的橫截面面積在設計時需要保持一致。在該案例中，淚滴形隨形水路的橫截面周長為1.574英寸（約39.93 mm），而同樣面積的傳統圓形水路的周長為1.374英寸(約34.90 mm)，淚滴狀隨形冷卻水路具有更大的表面積將模具中的熱量帶走。

與模具表面的距離。對於冷卻水路與模具表面的距離並沒有一個固定的規定，例如，有的企業在設計時保留的距離恰好等於水路直徑的距離，而有的企業保留的距離為水路直徑的2倍。對於大多數隨形冷卻水路來說，與模具表面的距離取決於零件的幾何形狀。在設計與模具表面的距離時，有一個需要遵守的原則是，使隨形水路與模具表面始終保持相同的距離，從而達到均勻的冷卻效果。

冷卻水路的長度。在使用鑽孔方式加工冷卻水路時，如果鑽孔時產生的碎屑未被排空，則可能發生鑽頭漂移或損壞。在這種情況下，人們會選擇將冷卻水路設計的盡量短一些。儘管通過3D列印技術製造隨形冷卻水路，不存在刀具損壞等問題，但是在設計時仍不建議將水路設計的過長。這是由於冷卻水在較短的冷卻水路中可以更為迅速的進出，使熱分布更為均勻。

截面積的另一個規則。由於多條短的冷卻水路能夠更加均勻的進行冷卻，所以有的隨形冷卻水路是按照毛細管的思路來設計的，即：一條大的冷卻水路被分為多條小而短的水路，然後再匯入一條大的水路。在這種情況下，多條小水路的橫截面積總和應等於大水路入口和出口的橫截面積，從而確保水的均勻流動，進一步降低翹曲的風險。

圖3

旋轉結構。模具冷卻水路中的水量是影響模具冷卻時間的因素，水量越大冷卻循環時間越短。另一個影響因素是水湍流。雖然3D列印隨形冷卻水路的內表面由於沒有經過拋光，所以會產生一些湍流，但是如果在設計時增加旋轉結構，則可以產生更多的湍流。例如圖3中展示的這個冷卻水路，在設計時向頂部迴路中增加了四個旋轉結構。

以上這些設計規則，並不是成功3D列印隨形冷卻水路所需要關注的全部規則，模具製造用戶在進行3D列印隨形冷卻水路設計時，應對注塑模具製造有系統的了解。傳統的模具冷卻水路設計原則中有很多值得借鑒的經驗，這些經驗是有效設計3D列印隨形冷卻水路的基礎。

參考資料：

3D Systems Application EngineerDAVID LINDEMANN，

Conformal Water Line Design Guidelines， MouldMaking Technology.

Optimal cooling design in injection moulding process – A new approach based on morphological surfaces

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