增材制造與鑄造工具的冷卻通道，如何在壓鑄工藝中，實作自由表面的優化？
在鑄造工具和增材制造中，使用伴随方法開發了一種算法，以優化用于鋁壓鑄工藝的3D列印工具，和鋼嵌件的内部冷卻通道的位置和橫截面。
該算法能夠以相對較低的計算成本開發優化的複雜工業模具，瞬态模型經過多次實驗驗證，提供了合适的界面傳熱系數。
基于鑄造周期和模具表面的熱行為，開發了穩态熱模型來評估溫度的空間分布，并作為後續優化階段的初始解決方案。
然後應用伴随模型來優化冷卻通道，強調模具表面溫度标準偏差的最小化。通過使用從專用鋁爐獲得的實驗資料進行校準，将原始瞬态模型應用于優化的模具配置。
優化的冷卻通道幾何形狀在整個管道表面區域使用不均勻的橫截面，将模具/鑄造界面的壓降和冷卻均勻性分别提高了24.2%和31.6%。
該模型已用于優化一系列工業高壓鋁壓鑄(HPADC)嵌件的冷卻通道。這顯著提高了模具的使用壽命，與之前設計的40000次注射相比，增加到近130000次注射。
注塑和壓鑄是成熟的制造領域，由于增材制造(AM)的方法，讓發展帶來的設計機會進而重新受到關注。
這些新穎的增材制造技術不受傳統計算機數控（CNC）加工方法所施加的形狀限制的限制，能夠建立複雜的内部空隙，例如随形冷卻通道布局。
此功能支援模具嵌件中保形通道的設計，以最大限度地提高熱性能，例如重力和高壓壓鑄(HPDC)，與塑膠注射成型具有一些相似的特征，包括材料注射、冷卻和零件頂出。
然而金屬工具鑄造比聚合物注射成型，更需要極端的操作條件，需要進一步發展對實體和冷卻過程的了解。
盡管如此，塑膠注射成型的一些設計與優化概念可能在壓鑄應用中具有潛在價值。
壓鑄工藝中的主要挑戰包括不均勻的熱分布、高溫梯度，以及模具與鑄造界面處的邊界熱通量變化過大。
這些因素可能會導緻不良影響，例如産品收縮、翹曲和熱殘餘應力，是以開發快速原型模具嵌件的最佳冷卻通道布局引起了業界的極大關注。
增材制造鑄造工具的優化政策包括外部方法和内部方法，外部優化的發展包括先進的快速模具(RT)技術，例如直接金屬雷射燒結(DMLS)（也稱為SLS）、立體光刻(SLA)和粉末床熔融(PBF)。
其他創新包括用高導熱材料或合金，替換鑄模或在型腔之間添加中間層，這些研究都證明了成品注塑模具的熱效率和機械性能的改進。
增加潤滑和噴塗工藝也有助于脫模過程實作更均勻的冷卻，然而當針對特定模具表面時，潤滑劑噴霧的控制是一項具有挑戰性的任務，并且通常被視為注射周期之間應用的單獨操作。
盡管它對舊HPDC系統中的冷卻有20-50%的貢獻，但這裡不将其視為鑄造模組化過程的一部分。
雖然外部優化仍然受到制造技術和材料類型的限制，但内部冷卻通道設計的優化仍然是注塑成型開發中使用最廣泛、最有效的方法。
在這裡，參數化研究非常廣泛，尤其是随着增材制造技術的發展，根據鑄造材料的規格和零件的複雜性。
這可以考慮不同的設計參數，例如冷卻通道的數量、管道直徑、節距、平行管道之間的距離以及通道/鑄造表面之間的深度。
例如描述了一種鑄造模具設計，該設計通過考慮冷卻通道數量、位置和流速來最大限度地減少冷卻時間。包含額外的結構，例如内部擋闆或格子，或二次冷卻層，也可能是有益的。
傳統的圓形橫截面通道幾何形狀已用于大多數冷卻設計案例，以避免拐角或銳邊周圍過熱。
然而更先進的研究表明，通過采用替代橫截面幾何形狀可以提高性能，一項鋁填充環氧樹脂注射模具研究，使用異形橫截面，實作了18%的冷卻時間縮短。
另一種使用方形和矩形溝槽幾何形狀的設計将冷卻時間和翹曲分别縮短了65%和54%，盡管已經提出了各種非圓形幾何形狀。
但橫截面輪廓通常保持恒定，并且很少有研究報道在注塑模具中的随形冷卻通道中使用非均勻橫截面輪廓。
使用非均勻橫截面輪廓的想法可以與響應面方法（RSM）的研究聯系起來，伴随方法是一種強大的數值方法，用于根據標明的目标函數計算預定義的網格靈敏度。
到20世紀80年代中期，使用更複雜的歐拉和納維-斯托克斯方程，進行空氣動力學流動模拟。
伴随方法提供了計算成本和設計變量數量之間的獨立性，最終使其成為解決大型設計空間問題的有用工具。
