雷尼紹3D打印隨形冷卻金屬模芯：提升注塑成型效率

德國Alfred Kärcher公司（凱馳）通過在其注塑成型模具中使用具有隨形冷卻功能的模芯,，將每個(gè)塑料外殼制品的冷卻時(shí)間縮短了55%,，極大地提高了公司的注塑成型生產(chǎn)效率,。這種特殊模芯由雷尼紹設(shè)計(jì)并通過金屬3D打印技術(shù)制造,。

背景
德國Alfred Kärcher公司（凱馳）生產(chǎn)的高壓清洗機(jī)不僅已成為眾多德國家庭必備的清潔設(shè)備,，而且在國際市場上也備受用戶青睞 — 這些清洗機(jī)的顯著特征是其鮮艷醒目的黃色外殼,。由于Kärcher高壓清洗機(jī)的強(qiáng)大功能和良好口碑,，無論是室內(nèi)還是室外，越來越多的人在家庭的日常清潔中使用了Kärcher的產(chǎn)品,。

▲K__rcher高壓清洗機(jī)

為滿足全球市場日益增長的需求,，Kärcher每年都要生產(chǎn)數(shù)以百萬臺緊湊型清洗機(jī)。每年單是Obersontheim一家工廠的K2標(biāo)準(zhǔn)型高壓清洗機(jī)的出貨量就超過兩百萬臺,。然而,，即使已實(shí)現(xiàn)如此高的產(chǎn)量，Kärcher仍無法滿足全部市場需求,。

挑戰(zhàn)
Kärcher清洗機(jī)最具辨識度的特征之一便是它的鮮黃色外殼,，但外殼制造同時(shí)也是生產(chǎn)過程中的主要瓶頸之一。例如,，K2系列清洗機(jī)的外殼由六臺注塑成型機(jī)生產(chǎn),，每臺機(jī)器每天可制造1,496個(gè)外殼，但這一數(shù)量對于Kärcher來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,，因?yàn)镵ärcher擁有四條裝配生產(chǎn)線,，工人分三班倒不間斷生產(chǎn)，所以每日的K2高壓清洗機(jī)組裝量可達(dá)12,000臺,。

▲K2黃色后殼模具的原始設(shè)計(jì)

▲K2黃色后殼模具的全新設(shè)計(jì),，具有隨形冷卻功能

顯然,，一種選擇是添置更多的注塑成型機(jī)。然而,，在協(xié)調(diào)員Leopold Hoffer看來 — 他是Kärcher的Obersontheim工廠內(nèi)注塑成型工序的負(fù)責(zé)人 — 則可以通過挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛力來提高生產(chǎn)效率,。“我們的目標(biāo)是將成型周期從原來的52秒縮短為40到42秒之間,，”他解釋說,。為此他聯(lián)系了總部位于Pliezhausen的LBC Engineering公司（該公司已于2013年5月被雷尼紹收購），尋求縮短模具冷卻時(shí)間的方法,。

解決方案
“項(xiàng)目的第一階段是獲取現(xiàn)有模具的數(shù)據(jù),，以此確定Kärcher提出的目標(biāo)是否可行，”Kärcher的雷尼紹項(xiàng)目協(xié)調(diào)人Carlo Hüsken回憶說,。雷尼紹利用Kärcher提供的數(shù)據(jù)繪制出現(xiàn)有注塑成型工序的熱成像圖,，然后采用Cadmould® 3D-F模擬軟件進(jìn)行分析。結(jié)果表明,，塑材的熔化溫度為220°C,，脫模溫度為100°C,，而在52秒的整個(gè)成型周期內(nèi),，冷卻時(shí)間就占到了22秒。模具溫度用冷卻水進(jìn)行控制,，水流速度為10升/分鐘,、溫度為35°C。

接下來,，雷尼紹對熱成像過程中檢測到的熱點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)建模,，因?yàn)檫@些區(qū)域直接導(dǎo)致成型周期的延長，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步分析,。利用這些數(shù)據(jù),，雷尼紹完成了一次含有20個(gè)成型周期的數(shù)據(jù)模擬，其中包括對模具壁溫度的分析,。

根據(jù)Hüsken先生的建議,，在進(jìn)行第二次模擬時(shí)，雷尼紹改進(jìn)了噴嘴側(cè)的溫度控制方式,，即通過在噴嘴側(cè)的模具板內(nèi)加入兩條傳統(tǒng)的冷卻水道,，加大對模具板上的鈹銅圓形螺紋接頭的冷卻效果。

▲舊設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)的鈹銅模芯,，具有采用鉆孔方式加工的冷卻液通道,。盡管材料的導(dǎo)熱率較高，但仍存在顯著的“熱點(diǎn)”區(qū)域,。

▲新設(shè)計(jì)：金屬3D打印高強(qiáng)度鎳合金鋼模芯,，具有隨形冷卻功能,，冷卻通道更接近熱源，可更好的解決“熱點(diǎn)”問題,。

隨后,，雷尼紹又進(jìn)行了兩次模擬，以此評估當(dāng)應(yīng)用隨形冷卻時(shí)可能獲得的潛在改進(jìn),。傳統(tǒng)的模具冷卻方式是在模具中鉆孔,，以形成網(wǎng)狀冷卻液通道。由鉆孔方式形成的通道其幾何形狀會受到限制,，對于比較簡單的模具,，這種冷卻方式可以達(dá)到預(yù)期效果，但對于更為復(fù)雜的模具,，冷卻效果就會大打折扣,。采用隨形冷卻方式的模芯，則使用了金屬增材制造方法,，即這類模芯是利用增材方式逐層加工出來的,。增材制造方式十分靈活，這意味著模具中冷卻液通道的復(fù)雜性幾乎不受限制,。一般情況下,，模具內(nèi)的隨形冷卻通道可保持與模具壁的距離均等，因此冷卻效果更加均勻,；或者在模具內(nèi)熱點(diǎn)集中的區(qū)域,，可加大隨形冷卻通道的密集度，以此為這些區(qū)域提供更快速的冷卻,。

模擬過程顯示,，采用隨形冷卻后，實(shí)際上幾乎所有熱點(diǎn)區(qū)域的冷卻效率均可得到有效提升,，模具壁的溫度降低多達(dá)70°C,。

最后，在模具中一個(gè)沒有足夠空間來設(shè)置隨形冷卻通道的區(qū)域,，Kärcher巧妙地改進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì),，以此緩解成型冷卻問題。

根據(jù)模擬結(jié)果,，雷尼紹為Kärcher提出了一個(gè)全面的改進(jìn)方案,，指出隨形冷卻可用于改進(jìn)模具中熱點(diǎn)區(qū)域的溫度控制，從而使各個(gè)部分的冷卻速率更加均勻,，并減少整體冷卻時(shí)間,。修改后的模具設(shè)計(jì)加入了兩個(gè)增材制造的模芯，可向確定的熱點(diǎn)區(qū)域提供隨形冷卻功能。

結(jié)果
雷尼紹使用熱成像技術(shù)檢查了修改后的模具設(shè)計(jì)的效果,，確認(rèn)模具壁的溫度可降低40°C至70°C,，冷卻時(shí)間可從22秒縮短至10秒，減少了55%,。Kärcher注塑技術(shù)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人Volker Neu也通過實(shí)際生產(chǎn)證明,，新的模具設(shè)計(jì)加上對一些外圍工藝的重新調(diào)整（充料系統(tǒng)、處理系統(tǒng)等）,，可將成型周期從52秒縮短至37秒�,，F(xiàn)在，每臺注塑成型機(jī)的外殼日產(chǎn)量可從1,496個(gè)增加至2,101個(gè),。

隨后,，Kärcher對其他模具的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了改進(jìn)。雷尼紹使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了這些具有隨形冷卻功能的模芯,，Hüsken先生在制造過程中為雷尼紹提供了積極的支持,。

Hoffer先生最初曾對該項(xiàng)目持懷疑態(tài)度，現(xiàn)在他說道：“結(jié)果比預(yù)想的要好,，雷尼紹銷售給我們一套完整的改進(jìn)方案,，他們對我們使用的模具進(jìn)行了全面考察與分析，幫助我們實(shí)現(xiàn)最佳生產(chǎn)效率,�,！�

雷尼紹始終在綜合運(yùn)用各種技術(shù)手段的基礎(chǔ)上為客戶提供專屬解決方案�,！熬臀覀兊陌咐�而��,，它既涉及傳統(tǒng)冷卻技術(shù),，又涉及隨形冷卻技術(shù),，既包含傳統(tǒng)方式加工的冷卻液通道，又包含采用增材制造方式加工的模芯,，同時(shí)還涉及模芯的真空釬焊技術(shù),，”他補(bǔ)充道，“利用所有這些技術(shù),，我們才能制定出最合適的生產(chǎn)方案,。”

通過這個(gè)項(xiàng)目,，Hoffer先生收獲了重要的知識和經(jīng)驗(yàn),。“將來,，我們在設(shè)計(jì)階段就會更加重視成型冷卻效率,，”他說，“在Kärcher,，冷卻效率計(jì)算將成為模具設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一環(huán),。利用這些信息,，我們可以決定是使用傳統(tǒng)冷卻方案還是隨形冷卻方案�,！�

“雷尼紹為我們提供了完美的支持,。在這次的項(xiàng)目中，雷尼紹是我們正確的選擇,；將來,，當(dāng)我們需要設(shè)計(jì)閉合輪廓溫度控制方案時(shí)，相信它也會成為我們最合適的合作伙伴,，”Hoffer先生總結(jié)道,。

來源：3D科學(xué)谷