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熱沖壓快速模具製造技術研究

刊登日期：2021/12/01

摘要

因應全球化生產，產品生命週期縮短，接單能力亟需提升以達到應變時間減少的需求，導致模具製造週期縮短。然而，熱沖壓零件的模具開發期長，廠商需要快速的模具製作方式以提供客戶高品質樣件，接單上才具備競爭力。本文將以噴膠黏粉積層製造技術進行熱沖壓模具的開發，並解決傳統直鑽水路的熱沖壓模具所面臨開發期長的問題，以異形水路的設計做成一體式的金屬模具。透過模擬分析方法確認設計，並以熱沖壓防撞樑載具作為技術驗證，確認快速的模具製作方法能否滿足熱沖壓業者的需求。

Abstract

The product life cycle has been shortened to respond to the requirement of global production. Due to the time-consuming development time of hot stamping forming tools, a rapid die making method is needed by manufacturers to provide customers with high-quality prototype to remain competitive in market. A hot stamping die with conformal cooling channels has been manufactured using binder jetting 3D technology to solve the problem of long development time of traditional die with drilling channels in this research. The design of conformal cooling channels has been confirmed by numerical simulations analysis. A door beam was used as an example to verify whether the new design of hot stamping dies meet the needs of manufacturers.

前言
在全球產業高度發展，汽車的輕量化需求下，熱沖壓零件在車身上的的占比日益增加。熱沖壓零件模具中，需要具有冷卻水路來進行零件的淬火，避免連續生產後模溫升高，造成淬火效益不足導致零件的品質不佳。熱沖壓產品主要應用於汽車結構件，模具冷卻水路多以細長型式來設計，因應加工的限制，水路必須以機械加工的方式直鑽，並且具有長度的限制，導致一副模具中必須要分成多塊設計，加工後再進行組裝以及強化模塊間的密封避免冷卻水從模塊間滲出，影響成形零件的品質。因此，傳統的製作方式較為耗時，且因產品多具曲面特徵，直鑽的水路容易在生產中產生熱點，影響淬火品質。
3D列印技術發展越來越快，使得非傳統的複雜冷卻設計迅速在模具產業中蔚為流行，由於複雜水路可設置在接近產品表面以及傳統水路不易觸及的區域，可以達到縮減冷卻時間和減少熱點產生的目的[1]。若以積層製造方式製造出異型水路，不只可提高水路複雜度，水路也能更貼近產品輪廓，生產速度還比傳統加工方式更快；這情形對於需要由多模塊組裝的熱沖壓製程而言尤其顯著[2]。目前常見應用於異型水路之積層製造技術如直接金屬雷射燒結，幾乎可以列印出任何我們所能想像的複雜水路設計，但侷限於金屬雷射燒結的方式為金屬粉末的燒結成形，是以產品的重量在計價，在製作大型模具上不具經濟效益。在西班牙大學與研究機構共同發表利用利用LMD (Laser Metal Deposition)的方式製作異形水路，測試經過基層製造後的模具其在金相、熱傳、模具強度上與傳統鑽孔的水路差異，目前這種方法主要處理模具中難以加工難以處理的水路形狀，大部分的模塊還是以加工的方式[3][4]，大陸大連理工則以預埋管件的方式，將管材預先彎折成水路形式，將其固定在模具中再進行鑄包，使管材埋在金屬液中，成為模具水路的一部分，不過此方法常因管材受到高溫鐵水造成管材破洞，導致水路失效[2]。
本研究將嘗試以黏著噴塗的3D列印方式快速製作模具，黏著噴塗3D列印是以矽砂為主要列印粉材，將其透過黏著劑與固化劑使堆疊的粉材依照3D 產品圖檔列印黏著後形成砂模。針對熱沖壓大型鈑金用模具之水路進行異形水路模具開發，透過3D列印砂心與砂模整合，再結合後端金屬液鑄造成形，接著去除砂心，快速獲得具異型冷卻水路之熱沖壓金屬模具，提供快速試作服務，讓廠商能在產品開發階段即打樣出具有相同性能之熱沖壓零件以做性能測試，來縮短產品開發時程，提升廠商在創新產品或功能上作嘗試，進而提升廠商競爭力。
異形水路熱沖壓模具設計與分析
本研究以熱沖壓零件汽車防撞鋼樑作為砂模列印異形水路之研究載具，依此產品進行具有冷卻水路的模具設計與製作，以驗證這樣的模具製作方式在熱沖壓應用中的可行。圖1為載具產品圖，其中間為U型結構高度約40 mm，長度約601 mm寬度約114 mm，材料厚度1.4 mm，車體零件多為細長型，也藉由此防撞樑模具設計，驗證砂模列印的細長型水路在澆鑄時能否承受高溫鐵水的衝擊。

圖1 汽車防撞鋼樑

1.異形水路設計
水路設計可按照模面造型特徵設計非直線型水路，水路參數依照傳統水路的設計準則進行微調，水路孔徑約為10 mm，水路與水路間以及模面間距皆為10 mm，此參數在傳統量產中已驗證冷卻效應足夠帶走模具熱量，且模具強度也能承受量產時的沖壓力量。圖2為模具下模圖，右邊為切中間的剖面圖，可以看到四條採用圓形水路，中間因模具空間關係，設計為一個四方圓角截面的水路。整體水路為主流道分成五條分支後沿著模面的曲面變化一直到另一側匯集成另一條主流道，水路最長長度約662 mm左右。