金屬3D列印模具在熱交換性能的挑戰與機會

前言

使用模具製造物品已經是一個很古老的工藝，利用材料具備可流動或可塑的特性進行製作，使其獲得與模具反向構型的物件，如此可以大量生產相同的產品，由於模具與物件具有一模一樣的幾何，但形狀呈現凹凸相反的方向，傳統工業上主要使用切削、鑽孔及放電等方式進行模具材料加工，之後依照精密度的要求再進一步研磨拋光，此製作過程相當耗費時間，同時也會產生大量的廢料，並且機械加工受限於須經由材料外部向內部延伸的操作，往往只能侷限於特定構型與角度，而3D列印採用剖面式鋪層的工法，可以逐層燒結堆疊，不論幾何形狀是位於工件外部或內部皆能夠成形，因此可以達到傳統技術無法完成的複雜構造，這將大幅提升物件的多重功能。

粉床式金屬3D列印

積層製造技術根據材料和成型方式的差異，可分為七種類別[1][2]： 包含光固化聚合技術(Vat Photopolymerization, VP)、材料噴塗成型技術(Material Jetting, MJ)、黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting, BJ)、材料擠製成型技術(Material Extrusion, ME)、疊層製造成型技術(Sheet Lamination, SL)、直接能量沉積技術(DirecteDEnergy Deposition, DED)及粉床熔融成型技術(Powder BeDFusion, PBF)。其中，粉床熔融成型技術(PBF)和直接能量沉積技術(DED)是能夠實現一次成型的金屬製造技術。這些技術製造的工件品量接近傳統塊材的緻密度，甚至在機械強度方面超越了傳統鑄造元件，雖不及鍛造強度，但在工業應用上已具有將傳統鑄造工藝進行轉型之價值。本文以金屬粉床熔融成型技術進行介紹。

粉床熔融成型技術主要透過雷射能量使金屬粉末熔融，隨後凝固成型。在特定粉末粒徑與加工能量條件之配合下，粉床熔融成型技術具有較佳的成品精度(平均小於±100 μm)，其製程支持複雜形狀的成型，因此適合應用於本文提到鑄造模具產業內流道(水路)之一體成型加工技術。然而，其缺點在於成型尺寸會受限於腔體大小，且必須從特定工作平面開始製造。而腔體大小之設計又將影響設備造價、掃瞄範圍、甚至是鋪粉時間等，與產能息息相關，是故在設定其模具應用的情境下，提供適合大小的設備設計也是重要的考量因素。

粉床熔融成型技術源自於傳統粉末燒結技術的演進。過去曾需透過二次燒結方式成型，但由於雷射以及相關硬體條件之進步，目前已可達成一次直接熔融成型，除了製程時間上的縮短，同時也可使緻密度從早期的70%提升至接近100%，相對於傳統的金屬射出成型技術，具有更高的緻密度和強度。以業界標準而言，目前使用的金屬材料經過直接熔融成型後，其成熟製程成品之緻密度皆 ≧ 99.9%，而各家廠商都競相競逐在往100%方向推進，而就機械強度而言也已經超越傳統的鑄造成型之水準，具有直接製造功能性的工業零組件之能力。

3D列印模具的熱交換性能優勢

採用模具製造物件的過程，必須控制原料的流動或塑性，其影響的首要因素即為溫度，例如高分子的黏度及彈性隨著溫度的不同，往往呈現劇烈的變化，當高溫膠料注入模仁之中，開始與模壁接觸後隨即發生熱交換的作用，隨著內壁各區域的展開，塑料會具有不同的流動特性，因此考慮的方向包含塑料黏彈性、溫度分布、冷卻效率、冷卻時間、遲滯現象、模仁充填度、成品收縮率及品質等因素。在模具冷卻熱交換的效率上，因受限於傳統的加工技術，雖然理論上有更優異的設計，實際上卻面臨無法製作的困境，但隨著3D列印的發明與進步，以往的瓶頸逐漸被克服，由於塑料的加工主要包含充填、冷卻及頂出，而其中冷卻是最關鍵的步驟，它除了與物件的品質有密切關聯之外，也同時影響生產速率及成本，如果能夠更加配合不同物件的幾何，就能夠設計出更符合熱交換的構型，這將可以有效提升冷卻的速率，其中Dimla 等人[3]就針對射出成型的模具，以有限元素分析進行模擬與熱分析，試圖尋求出最佳澆口的位置及冷卻的流道，希望建立射出成型模具較佳的3DCAD模型，另外Suchana等人[4] 則進一步採用系統的方法，先建立一套數學模型，接著以實驗數據與數學模型的計算進行精準度的比對，實驗對象的模具材料為結構鋼材，射出成型的物件為聚丙烯瓶蓋，在實際生產上必須花費30秒的時間，才能夠將熔融的塑膠冷卻至可脫模的50℃，另外以該3D列印隨型通道模型所計算出來的冷卻時間則為28.25秒，誤差值在5%之內，顯示此建立的模擬分析具有一定的準確性(圖1)，之後設定以螺旋式的隨型通道進行計算(圖2)，在距離及尺寸的定義上(圖3)，螺旋構型直徑(D)會決定節距大小(P=2D-3D)與模穴邊壁的距離(L=1.5D-2D)，圖4 顯示在固定的熱傳係數(5352W/m-K)狀態下，較小的螺旋直徑D、短節距P及近間距L 的條件下其冷卻時間越短，主要的原因為其表面積較大，距離也較近，另外如果在固定距離為4mm的前提下，大螺旋直徑D、短節距P，則可以增加冷卻面積，進而帶走更多熱能使其快速冷卻(圖5)。而通道斷面的幾何形狀對於冷卻速率也扮演著重要的影響，撇除如星形或六角形等3D列印技術上的製作限制，顯示在圓形、正方形、矩形、橢圓形及半圓形等不同的斷面，其中以矩形截面的冷卻性能最佳(圖6)。

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