要点总结
- 冷却和保持时间计入 占总周期时间的 50%–75%使得冷却优化成为提高注塑成型生产效率的最重要因素。
- 常规直钻通道 经常无法均匀冷却复杂几何形状，导致出现热点、循环时间延长和零件质量差。
- 保形冷却通道 沿着模具轮廓，将冷却装置放置在更靠近零件表面的位置，以便更快、更均匀地散热。
- DMLS（直接金属激光烧结） 能够实现随形冷却所需的复杂通道几何形状，这是传统钻孔无法实现的。
- 已证实的结果包括缩短周期时间 高达40%此外，翘曲度、表面光洁度和尺寸精度也得到了改善。
- 保形冷却 对现有模具制造工艺的补充 通常很快就能收回成本——但需要仔细的水质管理和预防性维护才能可靠运行。
随着增材制造技术的进步，制造复杂的冷却通道金属嵌件变得轻而易举。随形冷却是注塑成型技术中的一种设计理念，旨在提高塑料零件的质量，降低能耗和生产成本。
为什么注塑成型中冷却时间很重要
背景
在注塑成型中，冷却和保压时间合计约占总周期时间的 50% 至 75%。冷却是塑料注塑模具的关键工序，它直接影响周期时间和最终零件的质量。优化整体冷却时间的方法有很多，通过缩短整体周期时间和提高零件质量，可以带来直接的商业效益。
模具冷却
从根本上讲，注塑模具的作用类似于传热装置。在注塑成型过程中，塑料熔体的所有热量或热能都会通过冷却介质从模具中带走。模具温度至关重要，因为它控制着传热速率。影响模具温度的因素包括：
- 冷却通道设计
- 冷却介质
- 压力
- 流速
在保持模具温度恒定和拥有高效冷却系统方面发挥着关键作用。
注塑模具中传统冷却通道的局限性
模具内部设有标准的常规冷却通道，这些通道是通过钻出相互交叉的直线孔而形成的，并辅以塞子和挡板来引导冷却水流向需要冷却的区域。尽管这些常规冷却通道多年来一直发挥着作用，但却需要付出更高的冷却时间和能耗（水压和流量）。很多时候，根据零件及其模具的设计，这些冷却通道效率低下，无法有效散热，导致局部过热点的出现。
什么是保形冷却以及它的工作原理
然而，随着注塑成型技术的进步，模具制造商和设计师们发现，与传统的冷却通道相比，设计能够更靠近零件表面进行冷却的冷却通道，可以更好地贴合型芯或型腔镶件的表面轮廓，这种设计理念在注塑成型技术中被称为随形冷却。该设计理念的有效性在于能够快速均匀地冷却整个成型表面，从而提高塑料零件的质量，缩短成型周期等。
考虑到塑料部件的设计，模具设计师需要评估将随形冷却通道纳入模具的可行性，这需要制造特殊的嵌件，同时还要考虑设计的复杂性以及预防性维护所面临的挑战。
注塑模具中随形冷却的优势
缩短周期时间和提高生产率
利用这项技术，可以根据所需的横截面尺寸和形状优化冷却通道的位置和路径。Stratasys 的一项研究表明，保形冷却技术可以将翻盖式封盖的生产周期缩短高达 40%，同时显著提高零件质量。
更短的冷却时间相当于更快的循环时间，消耗更少的能源，并提供更高质量的组件。
零件质量和尺寸稳定性得到提升
以下是一些提高零件质量的建议：
- 通过保持嵌件内部温度分布均匀，减少翘曲和变形。
- 改善表面光洁度——通过减少模具表面出现热点或冷点的可能性，可以使最终塑料零件获得更光滑、更一致的表面光洁度。
- 提高尺寸精度——随形冷却金属嵌件有助于减少零件尺寸的变化，从而使塑料部件具有更严格的公差和更高的尺寸精度。
增材制造（DMLS）在保形冷却中的作用
用于保形冷却的增材制造技术
目前，工业界已广泛采用直接金属激光烧结（DMLS，也称选择性激光烧结）技术来制造这些特殊的保形冷却通道嵌件。DMLS 是一种金属增材制造（AM）工艺。
在这个过程中，激光熔覆金属粉末逐层堆积，形成所需形状的冷却通道。该技术与立体光刻（SLA）原理相同，SLA是增材制造技术中常用的一种工艺，它使用树脂制造塑料原型，而DMLS则使用金属粉末。
特写镜头展示了使用直接金属激光烧结技术制造精密金属机械零件的 3D 打印过程，该过程采用了先进的制造技术。
利用这项技术，可以根据所需的横截面尺寸和形状优化冷却通道的位置和路径。
实际应用：保形冷却插件壳体示例
由于面临收缩问题且冷却时间过长，我们对传统的冷却通道设计进行了升级，采用了随形冷却嵌件。显然，传统的冷却管路设计由于空间限制，无法有效去除钢材圆形轮廓附近的热量。通过在浇口嵌件处采用随形冷却通道设计，我们能够有效地去除热点区域的热量，冷却时间显著缩短了8秒。
保形冷却通道的设计和维护注意事项
采用增材制造技术的保形冷却嵌件的关键因素
1. 材料选项
目前，增材制造技术在制造保形冷却镶件方面，不锈钢材料的选择受到一定限制。然而，随着材料技术的不断创新，已有超过32种与激光烧结技术兼容的合金材料可供选择。这些材料可用于模具和镶件的制造，无论产量大小，都不会影响模具的使用寿命和制造商的质保期。尽管如此，模具制造商仍需在操作和维护过程中采取额外的预防措施。
2. 概念设计
许多设计软件平台，例如 Fusion 360 等，都提供了丰富的功能，能够以最小的应力开发再生设计，并适用于实际应用。这表明，从设计和制造的角度来看，这项技术都非常便捷。这种再生设计方法可以应用于我们的注塑模具中，以匹配塑料部件特定特征的形状。这些概念性的有机设计有助于从热点区域散发热量，从而缩短冷却时间。
3. 冷却通道尺寸
下表总结了我们在交付采用传统和保形冷却通道的项目时的经验，并给出了一般尺寸范围和备注。
对于随形冷却通道而言，为了确保有效冷却效果，注塑商应满足良好的水质标准。良好的水质意味着低总溶解固体（TDS）含量和低于8的pH值。此外，注塑商还应为采用随形冷却的注塑模具配备专用过滤装置。
即使达到上述水质标准，常见的问题是冷却水管堵塞，因此需要在预防性维护计划中实施额外的清洁活动。
结论：保形冷却技术值得实施吗？
在采用激光烧结制造工艺的注塑模具中应用随形冷却技术，并非取代现有的模具制造工艺，而是在成本、质量和时间方面对其进行补充。注塑行业中有许多成功案例，采用DMLS技术的随形冷却技术不仅在短时间内收回了成本，而且由于废品率降低，进一步节省了成本。
高效创新公司已成功开展了采用保形冷却插件的项目，通过制定系统化的流程并确保遵守所有相关协议，最大限度地降低风险并提高客户资产的性能。
常见问题解答
1. 注塑成型中的随形冷却是什么？
随形冷却是一种先进的模具冷却设计，其冷却通道贴合模腔或型芯的轮廓。与传统的直孔冷却通道不同，随形冷却通道的形状使其更贴近零件表面，从而实现更快、更均匀的散热，并提高模具性能。
2. 保形冷却与传统冷却通道有何不同？
传统的冷却通道是沿直线钻孔的，通常难以均匀冷却复杂的几何形状。而采用增材制造技术生产的随形冷却通道，能够更精确地贴合零件形状，确保均匀散热，并最大限度地减少模具内的热点。
3. 为什么随形冷却对注塑模具的性能很重要？
冷却过程在注塑成型周期中占据了相当大的比例。随形冷却能够改善模具内的温度控制，减少热不平衡，并提高整体效率。这最终可缩短成型周期，降低能耗，提高生产效率，并获得更稳定的零件质量。
4. 保形冷却如何帮助缩短循环时间？
通过将冷却通道布置得更靠近模具表面和热点区域，随形冷却能够加速熔融塑料的热量传递。更快、更均匀的冷却缩短了冷却阶段，从而直接减少了整体循环时间并提高了生产效率。
5. 保形冷却对零件质量和尺寸精度有何影响？
均匀的温度分布可减少翘曲、收缩偏差和内部应力，从而改善表面光洁度，提高尺寸公差，并增强零件一致性。随形冷却技术有助于制造商以更少的废品率和返工量生产出更高质量的零部件。
6. 哪些类型的注塑成型零件最能受益于随形冷却？
对于几何形状复杂、截面较厚、核心较深或具有圆形特征的零件，随形冷却尤为适用。这些设计通常会产生不均匀的热区，传统冷却方式难以有效控制，因此随形冷却是精密和高性能应用的理想选择。
7. 增材制造在随形冷却技术中发挥什么作用？
增材制造技术，例如直接金属激光烧结（DMLS），能够制造出传统钻孔方式无法实现的复杂、轮廓贴合的冷却通道。这种制造方法使设计人员能够优化通道的位置和几何形状，从而最大限度地提高热效率。
8. 保形冷却存在哪些挑战或局限性？
保形冷却需要专业的设计技术、增材制造能力和精心的材料选择。此外，还必须妥善处理维护问题，例如水质和潜在的通道堵塞，以确保长期性能和可靠性。
9. 现有的注塑模具设计能否实现随形冷却？
是的，通常可以通过更换现有模具中的特定镶件来集成随形冷却技术。然而，可行性取决于零件设计、可用空间和成本因素。在对现有模具进行随形冷却改造之前，必须进行详细的技术评估。
