崔小龙，王敏杰，魏兆成，郭明龙，戚文军，王金海

（1.大连理工大学模塑制品教育部工程研究中心，辽宁大连 116024；2.广东汉邦激光科技有限公司，广东中山 528427）

1 引言

随着3D 打印技术的快速发展，随形冷却技术已经成为模具冷却系统的研发热点。一些模具企业尝试使用3D 打印技术直接制造模具，生产了传统工艺无法加工的内部具有复杂随形冷却水路的模具[1～3]。相比于传统的冷却方式，随形冷却可以使制品得到更加均匀充分的冷却，冷却效率更高[4]。激光选区熔化技术（SLM）作为应用最广的金属增材制造工艺之一，对于一些具有复杂型腔和成型质量要求较高的模具，运用SLM技术制造模具零件具有显著的优势。

国内外学者对3D打印随形冷却模具技术进行了很多研究。白玉超研究了18Ni300马氏体时效钢模具的SLM 打印[5]，认为冷却水路纵截面与铺粉方向夹角的大小对水路成型的影响较小，纵向打印相比于横向打印水路的变形程度更小。Abbès Boussad等将SLM技术与机械加工相结合制造出一种随形冷却模具镶件[6]，提高了模具零件的精度，使成型冷却时间大幅减少。陈根余等研究了激光扫描轮廓参数对SLM 打印随形冷却模具的影响[7]，重复扫描次数过多或过少均会导致零件表面粗糙度增大，致密度减小，过大的轮廓扫描偏移量会降低零件的表面质量。Marin F等对SLM打印CX不锈钢嫁接模具的组织及力学性能进行了研究[8]，嫁接接触面附近孔隙较少，无裂纹，随着打印高度的增加，孔隙数量略有增加，嫁接模具的抗拉强度与硬度都有一定下降。徐华鹏对SLM 打印多孔结构随形冷却模具进行了研究[9]，认为具有多孔结构的模具弹性模量高，抗压强度大，成型制品达到热平衡的时间相比于传统随形冷却模具更短，且热平衡后制品温升较小。

目前，大多数研究都集中在3D 打印随形冷却模具的表面质量、尺寸精度及力学性能等方面，关于打印过程中的热积累对模具零件质量影响的研究较少。为此，本文以一种内部带有螺旋形随形冷却水路的模具零件为对象，研究3D 打印过程中的热量积累对其温度场和应力场的影响，以选择合适的打印工艺，提高模具零件的3D打印质量。

2 模具零件设计要求及打印方案

3D打印零件为一带有随形冷却水路的注塑模具镶件，设计尺寸如图1所示。零件呈阶梯状，内部设计有螺旋形随形冷却水路，水路自下而上随着零件直径的减小随形变化。零件沿轴线方向逐层打印，打印材料为18Ni300马氏体时效钢。

图1 随形冷却模具零件设计尺寸

采用SLM技术打印零件过程中，随着打印高度的增大，零件下部保留的热量增加，散热的速率会越来越小，导致热量在打印零件内大量积累，这种热积累对零件的打印质量会造成不利的影响。因此，需要通过打印过程的模拟选择合适的打印工艺，以减小热积累的影响。

3 3D打印过程温度场和应力场的数值模拟

本研究是在基板预热和未预热两种条件下，数值模拟打印过程的温度场和应力场，以及热循环曲线和应力变化曲线等结果，以分析热积累对零件打印过程的影响。

3.1 网格划分

根据模具零件的结构，采用Creo 6.0软件进行三维建模。打印采用的基板材料为316L 不锈钢，尺寸为80×80×15mm，基板网格划分为4×4×4mm。模具零件采用分层四面体网格划分，四面体边长为2mm。网格划分模型如图2所示。

图2 网格划分

3.2 打印材料物性

通过JmatPro 材料性能模拟软件获得18Ni300 材料在不同温度下的物性参数，如表1所示。

表1 18Ni300的物性参数

3.3 打印工艺参数

模拟采用的打印工艺参数如表2所示，其中层间冷却时间是指零件在连续打印两层时中间停留的时间。

表2 打印工艺参数

3.4 温度场模拟分析

模拟软件采用ANSYS Workbench Additive。在基板未预热条件下，温度场模拟的换热系数取20。在基板预热150℃条件下[10～11]，通过加大冷却，打印层表面对流换热增强，换热系数取120。

3.4.1 不同高度的温度场云图

通过数值模拟得到不同高度打印层冷却后的温度场云图如图3 和图4 所示。在基板未预热的条件下，随着打印高度的增加，热量逐渐向零件的下部传导，打印层的最高温度增大，热影响区域变大。这是由于刚开始打印时，环境温度较低，需要较大的激光能量才能使材料熔化。而在打印后续层时，铺粉后前一层的热量向上传递起到了预热作用，所以输入相同的激光能量，零件的整体温升更高，热影响区增大。基板预热150℃时，最高温度较未预热时降低了145.73℃，最大温度差较未预热时降低了114.19℃。零件整体温度分布更加均匀，有利于打印出组织及性能上下均匀的模具零件。

图3 基板未预热的打印温度分布

图4 基板预热150℃的打印温度分布

3.4.2 打印层温度变化

模拟得到的打印层温度变化曲线如图5所示。基板未预热时，打印初期温升速率较快，后期层温增速减缓。这是由于初期打印层靠近基板，温度较低，散热速率较小，随着打印高度的增加，温度升降的速度趋于稳定。同时由于高度增加，零件的横截面减小，吸收的激光能量减少，散热更快，因此，在不同截面积的过渡处打印层温度有所下降。基板预热150℃时，打印层温度上升速率减缓，冷却速率更快，有利于晶粒细化[12]，强化模具零件性能。

图5 打印层温度变化曲线

3.4.3 不同高度的热循环曲线

为了对比热历程差异，数值模拟得到了不同高度打印层中心点的热循环曲线如图6所示。各打印层中心点的温度曲线都经历了多次波动，表明后续各层的打印过程都会影响当前打印层的热循环。基板未预热时，22mm 高处打印层中心点的后续波峰温度相对较高，原因是零件的水平孔下方无实体支撑，阻碍了热量向下传导，热量不易扩散。随着打印高度的增加，各层的平衡温度逐渐升高。基板预热150℃时，由于零件的整体温度升高，导致2mm高处打印层中心点的初始热循环温度增大，而冷却速率的加快使后续打印层对该层的热影响减小，导致其温度波动幅度减小。各打印层的平衡温度降低，有效减小了热积累。

图6 不同高度打印层中心点的热循环曲线

3.5 应力场模拟分析

将温度场模拟结果作为载荷加载到各节点进行应力场模拟，以分析不同打印条件下模具零件应力场的差异。

3.5.1 不同高度的热应力场云图

通过数值模拟得到不同高度打印层冷却后的热应力场云图如图7和图8所示。在基板未预热的条件下，随着打印高度的增加，热应力增大，高应力区域减小，应力主要集中在零件底部与基板连接处。这是由于在打印过程中，激光会再次加热先前打印层，相当于对其进行热处理，释放了部分应力，使高应力区域减小。靠近基板的打印层受到的热影响较小，热应力不能充分释放，因而该位置热应力增大。基板预热150℃时，零件的高应力区域相比未预热时减小，打印高度为50mm 时尤为明显，这是因为冷却速率增大后打印层散失了更多的热量，层温降低，且预热提高了基板与金属粉末的初始温度，两方面综合能够有效改善温度场的分布，降低打印过程中的温度梯度，因而高应力区域减小。

图7 基板未预热的热应力分布

图8 基板预热150℃的热应力分布

模拟得到高度22mm打印层中心点的应力变化曲线如图9所示。激光移动到该点时热应力迅速增大，然后呈现往复式变化，之后逐渐趋于平稳。基板未预热时，该位置的热循环温度较高，零件的塑性变形进一步增大，因而冷却收缩后热应力较大。基板预热150℃时，散热加快，较低的热循环温度释放了部分应力，使热应力减小。

图9 高度22mm打印层中心点的应力变化曲线

3.5.2 残余应力云图

模拟得到的残余应力云图如图10 和图11 所示。在打印完成零件温度降到室温后，应力值相比于打印结束时增大很多，呈拉应力状态，这是由于刚打印结束时零件仍有很高的温度，热应力在不断变化，且在冷却过程中零件降温速率极快，因而产生了较大的残余应力。基板未预热时，零件内部水平孔附近形成了大面积的高应力区域。基板预热150℃时，零件表面的残余应力减小，位于水平孔附近的高应力区域基本消失。零件中心沿Z 方向的残余应力分布如图12 所示。在基板预热150℃的条件下，零件中下部的残余应力较未预热时明显减小，减小了模具零件出现变形、开裂等问题的可能性。

图10 基板未预热的残余应力分布

图11 基板预热150℃的残余应力分布

图12 沿Z方向残余应力分布

3.5.3 变形云图

模拟得到的打印零件变形云图如图13 所示。基板未预热时，变形较大的位置主要在零件的中上部，最大变形量约为0.739mm。基板预热150℃时，零件发生变形的位置以及变形值都有明显的变化，零件整体变形相对更小，最大变形量比未预热时减小了0.12mm。

图13 打印零件变形云图

4 随形冷却模具零件3D打印结果

根据设计要求，采用广东汉邦激光科技有限公司的HBD-280打印机，在基板未预热和基板预热150℃条件下，打印得到的随形冷却模具零件如图14所示。打印零件越接近基板的地方，外观颜色的变化越大，说明受热积累的影响越大。与基板未预热相比，基板预热150℃打印零件外观颜色的变化较小，说明基板预热减小了热积累效应对打印过程的影响。

图14 3D打印的随形冷却模具零件

4.1 打印零件的表面质量

在基板未预热和预热150℃条件下，打印零件在不同高度横截面的外圆轮廓分别如图15 和16 所示。基板预热150℃时的轮廓挂渣相对较少，外圆表面质量更好。这是由于在基板未预热的条件下，热积累严重，打印层温度很高，粉末容易出现过熔现象，导致外圆附近的粉末烧结在轮廓周围，同时过高的温度也会使打印过程的飞溅增多[13]，故表面挂渣较多。基板预热150℃时，冷却速率加快，打印层温度降低，粉末过熔与飞溅现象减少，因而挂渣较少。

图15 基板未预热的外圆轮廓

4.2 打印零件的尺寸偏差

在基板未预热和预热150℃条件下，打印零件在不同高度横截面的外圆直径尺寸偏差如图17 所示。基板预热150℃条件下的尺寸偏差较小且稳定，而基板未预热打印的尺寸偏差较大。这是由于在基板未预热条件下，随着打印高度的增加，打印层温度上升，熔化的金属粉末增多，液相存在的时间延长，液态金属凝固时容易向粉末区蔓延，因而尺寸偏差较大。基板预热150℃条件下，打印层温度降低，热影响区减小，液态金属来不及向四周蔓延就迅速冷却凝固，使尺寸偏差减小。

图17 打印零件外圆直径的尺寸偏差

4.3 打印零件的硬度

在基板未预热和预热150℃条件下，打印零件不同高度横截面的洛氏硬度如图18 所示。基板预热150℃比基板未预热的打印零件硬度更高，这是由于在基板未预热的条件下，较高的热循环温度会导致晶粒的粗化，增加了组织中奥氏体的含量[14～15]，同时，零件内部存在较高的残余拉应力[16]，因而硬度值偏小。基板预热150℃时，打印层表面对流散热增加，热循环温度降低，释放了部分应力，同时有利于晶粒细化，因而硬度值普遍提高。

图16 基板预热150℃的外圆轮廓

图18 打印零件的硬度

5 结论

针对3D 打印随形冷却模具零件的热积累现象，对基板未预热和预热150℃两种条件下打印零件的温度场、应力场及打印结果进行了模拟分析和实验。得出结论如下：

（1）在基板未预热条件下，由于打印过程的层间温差大、热传导快，导致打印零件温度分布的均匀性差，热积累效应的影响明显。在基板预热150℃条件下，打印过程的热传导减缓，打印零件温度分布相对均匀，热积累效应的影响减小，有利于打印出组织与性能更优良的模具零件。

（2）在基板未预热条件下，热应力主要集中在零件底部与基板连接处，冷却后零件内部产生的残余应力较大，变形较大。在基板预热150℃条件下，由于温度梯度变小导致局部热应力减小，零件表面的残余应力减小，有利于减小模具零件出现变形、开裂等问题的可能性。

（3）在基板未预热条件下，打印模具零件外圆表面的挂渣严重，尺寸偏差较大，硬度偏低。在基板预热150℃条件下，零件外圆表面挂渣减少，尺寸精度提高，硬度增大，打印质量更好。