东江模具成功案例分享-嫁接打印在模具生产中的应用 l 下篇

用金属增材制造技术制造随形冷却流道，优化注塑模生产，正在国际市场上获得越来越多的普遍认可。然而，许多公司在应用该工艺方面，主要阻力不是来源于对材质性能的担心，也不是对该工艺不够熟悉，而是初期的投入成本。

因为模具行业的竞争十分激烈，而且增材制造模仁的成本不菲。

GF加工方案分享了一例来自著名模具与注塑生产制造商-东江模具的增材制造成功案例。案例展示了东江模具通过增材与减材相集成的完整工艺高效制作模仁，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。

在本案例的下篇中，3D科学谷将分享东江模具如何通过GF加工方案解决方案，实现智能手表包装盒零件注塑模仁的嫁接打印，怎样降低成本和提高效率，达到经济性，东江模具增材制造模仁达到了怎样的交付质量。

技术整合的重要性

/ 嫁接打印
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许多模具制造公司用增材制造的随形冷却方法降低成本和提高效率，在许多应用中，要达到经济性需要使用不同的方法。毫无疑问，由于结构原因，这些应用中的零件通常需要使用大量模具原材料，在增材制造中，也就是金属粉末。由于增材制造的模仁成本与增材制造中使用的粉末量直接相关，大型工件的生产成本必然较高。
为解决这个难题需要找到新的方法，则需要使用嫁接打印的解决方案。先将适合传统减材制造的部分用传统方式加工，再将需要随形冷却的部分嫁接到传统加工的部件上，实现成本降低。

图1 温度分布模流分析仿真，可以帮助设计师改善温度均匀性，减少热点。© GF加工方案
此外，使用嫁接打印可以避免一般3D打印最终线切割(打印件和基板分离)的步骤，进一步降低了成本。通常，这种工件被称为复合加工工件。
不同于许多增材制造应用，这里使用的生产工艺的第一步是底座的预成形件加工。在东江模具的应用中，底座的外形几何形状是在线切割（EDM）机床上由线切割机床加工的。另外，底座上的注塑孔和冷却流道也进行了深孔钻。由于增材制造只能在水平面上成形，因此，预成形件的高度必须全部相同。
但是，减材加工后的底座在嫁接增材制造的时候，会失去基准。将底座固定在增材制造基板上后，原有的基准和定位就都丢失了。因为增材制造不同于数控切削加工，在增材制造设备上，光学系统与基板之间没有物理联系，因此，很难套用减材机床的基准。
相反，生产企业通常只能用视觉找正方法或在机外用三坐标测量机（CMM）确认定位精度。这两种方法都十分消耗时间，简单的视觉找正方法，则无法保证精度。在要求误差低于100 µm的情况下，这两种方法都无法满足大多数应用的定位要求。
为解决该问题，GF加工方案开发了对应的解决方案，该方案充分利用DMP系列金属增材制造设备上的熔池监测系统。
在DMP Flex 350 增材制造设备上，“DMP监测”熔池监控可以在成形过程中采集熔池数据，用于发现可能的缺陷，例如未熔孔等缺陷。
“DMP校准”工具可充分地将感光监测硬件设备用于其他用途：

图2 成功进行嫁接打印的关键是高精度的定位：监控数据采集和拟合。© GF加工方案
利用嫁接底座上已有的孔，作为定位孔。使用熔池监控收集反射孔的数据，可以非常精确的定位底座在基板上的位置（图2）。

图3 嫁接底座使用S3R夹具固定在DMP Flex 350金属3D打印机上，已经为下一步的嫁接打印做好了准备。© GF加工方案
用户自定义阈值后，完成定位。这样的定位方式可达到非常高的精度和重复精度，而且没有任何人为失误风险。
同时，这种方式还可以在同一个成形平台上同时确定多个工件的基准，进一步加快批量生产速度。激光的光学系统精度高，定位精度也高，可以保证嫁接工件达到很高的质量。

图4 正在进行定位操作的定位孔扫描。用户自定义阈值后，定位可达到非常高精度和重复精度，而且没有任何人为失误风险。© GF加工方案
最后，GF加工方案旗下的System 3R的专用工装夹具提供标准化的工件接口，可用于多种加工设备，用这些工装夹具不仅可以用于DMP 增材制造设备上的嫁接打印，还可以用在打印完成的后处理减材加工上。一套基准，不需要再次定位。

图5 DMP Flex 350设备正在底座顶部打印带有随型冷却流道的增材制造部分。© GF加工方案
东江模具使用上述工艺和设备生产复合工件达到非常高的质量，而且大约90%所生产模具都可以使用这种方法在增材制造中成形随形冷却流道。在本案例中，智能手表包装支架的嫁接打印对象用两个不同的定位操作并用线切割的方法加工嫁接底座，都使用了System 3R夹具。
在该应用中，用DMP校准工具准确定位嫁接底座，自动计算和拟合并将计算结果转到打印任务文件中。
最后一步，在DMP Flex 350 设备上用Laser-Form®马氏体时效钢1.2709进行增材制造；Laser-Form®马氏体时效钢是模具行业使用的耐磨性能十分优异的一种成熟材质。

图6 打印完成后的复合成形模仁。烟尘是密度不均匀的主要原因，精确地调整层流氩气能有效消除烟雾，避免密度不均匀。由于使用特有的校准工艺，成品件的嫁接质量非常完美。© GF加工方案
在模具应用中，表面和近表面的气孔是不能容许的，这是因为在成形后的加工中，气孔可能成为工件壁上的空腔，造成注塑产品缺陷；而且，模具在使用过程中，必然存在热疲劳，因此，气孔会严重影响到模具的使用寿命。增材制造中，烟尘是密度不均的主要原因，在DMP Flex 350 增材制造设备上，优异的烟尘控制，得益于高精度校准的层流气流设计，有效的避免密度不均匀问题。
/成形后加工
工件成形后，需要进行最终的减材加工，以确保其几何精度和表面粗糙度。CAM编程的第一步是生成指定部位表面精加工的刀具路径。3D Systems的Cimatron®软件提供该功能，可以无缝对接在增材制造与减材制造。

图7 由该表所采集的注塑数据可见，使用新的模仁，生产周期时间缩短22%，由21.70与21.79秒缩短到16.98至17.01秒。© GF加工方案
编程完成后，将模仁装夹在GF加工方案的Mikron MILL S 400 U铣削加工中心上。这是一款非常著名的用于加工模具的铣削加工中心，用该加工中心加工的工件可达到十分高的表面质量。
对于透明的最终成品塑料件，任何缺陷都可见，因此，模具的高表面质量尤其重要。模具部件表面达到镜面级，无需进行手动抛光操作，缩短了生产周期时间。
顶针的矩形部位需要铣削加工（3+2轴预加工）和磨削精加工。
高生产效率和高生产力降低整体使用成本
本文突出两个要点：注塑周期和工件质量。第一点影响生产力，第二点减少废品率，进一步减少成本。
如图14所示，从采集的注塑数据可见，传统模仁的总注塑周期时间在21.70与21.79秒之间。优化模仁后，缩短了塑料冷却的时间，周期时间稳定在16.98与17.01秒之间。这就是说：显著缩短周期时间达22%。

图8 DMP Flex 350是一款可靠的金属3D打印机，可在24/7模式下生产工件且应用广泛。© GF加工方案
因此，成倍地提高了生产力。东江模具的产品月产量提高至原月产量的128%。
由于可以降低单位小时的设备使用成本和提高设备的生产灵活性，因此，可提高生产力和降低成本。由于温度均匀性的改善和热点的减少或消除，东江模具还提高了重复精度和成品件质量，因此，能降低废品成本，同时提高最终客户的满意度。
该解决方案不仅让东江模具公司满足了市场需求，而且无需投资购买其他新模具。东江模具的应用表明，用增材制造技术生产模仁的投资回报率十分可观，在特定情况下，在生产26天即可收回投资。
考虑到本案例仅是应用中的一例，东江模具可将该技术用于许多模具和同时用在多个生产基地，因此，增材制造技术能快速收回投资。这就是说，现在，东江模具的增材制造设备高负荷地工作，满足不同优化设计的模仁生产需求。
这一点已得到东江模具成功案例的充分证明，现在，增材制造的模仁已广泛用在该公司的日常生产中。
从该案例可见，要充分利用增材制造这项颠覆性生产技术快速实现投资回报，生产企业不应仅仅需要评估增材制造技术本身的工艺价值。为使该技术彻底达到工业生产规模，必须将增材制造与传统、成熟的生产技术相结合；需要形成完整的工作流程，也就是GF加工方案一直秉承的加工解决方案理念：从设计到交付。

/ 结论
在模仁内打印随形冷却流道，将增材制造技术用于模具制造，事实再次证明，这是一种行之有效的提高生产力和工件质量的成形技术。
GF加工方案和3D Systems两公司在众多领域和工艺方面拥有深厚的专业技术，因此，能为用户提供有效的行业解决方案。两公司共同提供专用的产品和工具，例如3D Systems的3DXpert“模具增材制造”软件，用其设计和分析随形冷却流道，随DMP系列金属3D打印设备还提供DMP校准工具，用于生产复合工件，在增材制造设备内的预成形件与底板之间自动找正，彻底避免用户失误，达到高精度。
总之，模具等制造领域在应用增材制造技术实现生产的过程中，需考虑整个生态系统，其中包括软件、增材制造设备和减材制造机床、粉料、自动化和工装夹具解决方案。有效和综合使用以上各项技术并将其集成为一体，改进设计和降低生产成本，才能在工业生产中充分发挥增材制造的潜力。
l 文章来源：GF加工方案