3D打印技術(shù)下塑料模具制造技術(shù)研究

陳瑞兵

（東莞理工學(xué)校，廣東 東莞 523000）

由于傳統(tǒng)的塑料模具冷卻方式往往是通過水來實(shí)現(xiàn)，這使得塑料模具的質(zhì)量會(huì)受到冷卻方式的直接影響，傳統(tǒng)的冷卻水道是直線型的。水道加工往往是采用鉆孔的方式進(jìn)行操作的，塑料模具內(nèi)部的水道分布、直徑以及水道的數(shù)量都會(huì)對(duì)模具的質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。

1 3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

3D 打印技術(shù)主要是通過逆向思維的方式進(jìn)行模具生產(chǎn)，通過3D 打印技術(shù)能夠解決模具在加工過程中的母模問題，并且能夠直接縮短模具生產(chǎn)的時(shí)間周期。3D 打印技術(shù)可以與傳統(tǒng)模具生產(chǎn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合、發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，更好地完成模具的生產(chǎn)工作。3D 打印主要分為3D 建模、模型分層和打印3 個(gè)環(huán)節(jié)。3D 建模的質(zhì)量對(duì)于后續(xù)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)有著非常重要的影響，利用3D 打印技術(shù)能夠在三維空間上確定物體的各項(xiàng)參數(shù)，確保模具的空間坐標(biāo)，從而使模具的形狀符合最終產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。模型分層主要是利用3D 打印軟件將模具自動(dòng)分為很多層，并在每一層儲(chǔ)存相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，分層數(shù)量越多，則產(chǎn)品的精度越高，但是也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)速度降低[1]。在最后打印這一環(huán)節(jié)，3D 打印機(jī)能夠自動(dòng)按照所設(shè)定的程序讀取數(shù)據(jù)信息，最終實(shí)現(xiàn)3D 打印粉末成型，生產(chǎn)出符合要求的模具。

2 直線型冷卻與隨形冷卻技術(shù)的對(duì)比分析

傳統(tǒng)的直線冷卻水道與隨形冷卻水道的外觀有著明顯的不同，這是由于直線冷卻系統(tǒng)無法隨著型腔的變化而變化，這使得直線型冷卻水道與塑料的直線距離不盡相同，所以對(duì)塑料的冷卻效果也就有著較大的差異。這是傳統(tǒng)冷卻水道無法規(guī)避的問題。而隨形冷卻水道能夠緊密地貼緊塑料腔外表，所以水道的形狀可以隨著塑料的形狀發(fā)生改變，水道與塑料管件的直線距離能夠保持固定，所以使得塑料件能夠均勻的冷卻，從而使得塑料管件的冷卻效率較高[2]。直線型疏導(dǎo)的加工方式一般需要經(jīng)過切割和鉆孔等方式進(jìn)行加工，這使得管道的加工難度相對(duì)較大，對(duì)施工工人的技術(shù)要求較高，但是這種直線型水道的冷卻效率卻相對(duì)較低。隨形隧道主要是通過3D 打印技術(shù)進(jìn)行加工，工人只需要按照操作步驟進(jìn)行施工即可，大大降低了施工的難度。隨形冷卻水道能夠更好地控制塑料模具的溫度，一旦冷卻液的溫度發(fā)生改變，型腔表面的溫度能夠在很短的時(shí)間內(nèi)降低至與冷卻液的溫度接近。所以隨形冷卻水道不僅能夠極大地縮短冷卻的時(shí)間，還能夠更好地控制塑料模具的精度。如圖1 所示，直線冷卻系統(tǒng)對(duì)于模具型芯、型腔的要求較高，一旦型芯、型腔相對(duì)復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致模具制造的難度非常大，冷卻水的流向也非常復(fù)雜，這就需要進(jìn)行大量的鉆孔操作。隨形水道中的冷卻水對(duì)模具進(jìn)行冷卻的時(shí)候，不會(huì)出現(xiàn)由于模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜情況而導(dǎo)致冷卻不均勻的現(xiàn)象，所以能夠滿足復(fù)雜的型芯、型腔模具冷卻要求。

圖1 直線冷卻系統(tǒng)與隨形冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 基于選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)的隨形冷卻水道塑料模制造技術(shù)

3.1 產(chǎn)品及模具分析

在使用3D 打印技術(shù)之前，需要對(duì)模具進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，確保選用合適的方式進(jìn)行加工。以水杯為例，由于水杯造型相對(duì)簡(jiǎn)單，分型相對(duì)容易，所以可以作為隨形冷卻水道的案例。內(nèi)置的冷卻水道成型零件可以分為2 個(gè)部分，一個(gè)是型腔，一個(gè)是型芯，分別固定在定模板以及動(dòng)模板上。冷卻水道就被設(shè)計(jì)在型腔和型芯內(nèi)部。

3.2 冷卻水道分析

3.2.1 直線型水道

直線型水道采用通孔+堵孔的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是由于型芯的結(jié)構(gòu)相對(duì)較小，所以在采用直線型冷卻水道時(shí)難度相對(duì)較大，可以采用隔板式的冷卻方式。

3.2.2 隨形水道

型腔的隨形水道可以采用平行的新型環(huán)方式，型芯的隨形水道則采用螺旋線方式，要確保所使用的水道直徑需要大于6 mm，水道邊緣與距離需要大于5 mm。

3.3 冷卻水道型芯、型腔的加工及調(diào)試

隨形冷卻水道可以通過SLM（選擇性激光熔化）、3DP（3D 打?。?、SLS（選擇性激光燒結(jié)）加工，如果是型腔和型芯的體積相對(duì)較大，則采用3D 打印技術(shù)的成本更為昂貴，所以不適合采用SLM、3DP 方式進(jìn)行加工，SLS 也不適用于直接加工型腔和型芯，SLS 只適合加工砂型模。所以在面對(duì)體積較大的型腔和型芯，需要首先設(shè)計(jì)型腔和型芯的砂型模。

如圖2 所示，砂型模拆開單獨(dú)打印主要是為了添加支撐和清砂，添加支撐的主要目的是使隨形冷卻水道的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，提高3D 打印的成功率。所以在鑄造前需要將添加的支撐去掉，避免對(duì)隨形冷卻水道產(chǎn)生影響。在完成砂型模打印以后，由于砂型模的硬度和強(qiáng)度暫時(shí)無法滿足要求，所以需要對(duì)砂型模進(jìn)行物理烘烤處理，確保砂型模的強(qiáng)度和硬度滿足要求。在完成砂型模的生產(chǎn)后，需要對(duì)砂型模進(jìn)行鑄造和精加工。首先將鑄鋼材質(zhì)液體沿著角落慢慢導(dǎo)入砂型模的內(nèi)部，等到液體的鑄鋼材質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)以后，將砂型模打碎，確保能夠得到所需要的型腔和型芯鑄件。由于砂型模所制造出來的模具外表和精度相對(duì)粗糙，并且設(shè)計(jì)時(shí)給精加工預(yù)留了一定的加工尺寸，所以無法直接運(yùn)用到實(shí)際的工藝制作中，需要對(duì)模具進(jìn)行精加工，確保模具的精度和表面滿足要求。

4 基于SLS技術(shù)的CCC塑料模制造技術(shù)

4.1 產(chǎn)品及模具分析

選取心形杯子為例，通過對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行分析可知，該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以作為隨行水道模具制造的代表進(jìn)行分析。其內(nèi)置的冷卻水道可以拆分成為2 個(gè)零件，分別是型腔和型芯，分別將型腔和型芯固定在固定的模板和活動(dòng)的模板中，冷卻水道就被設(shè)計(jì)在這2 個(gè)型芯和型腔內(nèi)部。

4.2 冷卻水道分析

在設(shè)計(jì)型腔直線型水道時(shí)，主要采用打孔和堵孔的方式，由于型芯的內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)較小，在型芯內(nèi)部設(shè)計(jì)出縱橫交錯(cuò)的直線型冷卻水道的難度較大，所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中主要采用了隔板的方式。由于型腔的隨形水道采用了很多在空間結(jié)構(gòu)上相互平行的心型環(huán)的方式，所以型芯的隨形水道則采用了螺旋線的方式，確保隨形水道的直徑能夠超過0.6 cm，水道的邊緣與模型的直線距離能夠超過0.5 cm。

4.3 冷卻水道型芯、型腔的加工及調(diào)試

如果將砂型模直接打印出來，會(huì)導(dǎo)致砂型模內(nèi)部沒有支撐，沒有內(nèi)部支撐的砂型?？赡軣o法滿足強(qiáng)度的要求。所以在鑄造型腔的時(shí)候，需要將砂型模去掉，避免其對(duì)冷卻水道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在通過3D 打印技術(shù)打印完成砂型模以后，需要對(duì)砂型模進(jìn)行烘烤，確保砂型模的強(qiáng)度以及硬度能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。最后工作人員再將鋁合金液體注入砂型模的內(nèi)部，確保鋁合金液體在凝固后降低到合理的溫度，再將砂型模打碎，這樣就可以得到對(duì)應(yīng)的型腔以及型芯鋁合金鑄件。

4.4 基于3D技術(shù)的塑料模制造技術(shù)分析

首先利用CAD 軟件構(gòu)建模型，對(duì)鑄造模具進(jìn)行工藝分析，設(shè)計(jì)出澆注系統(tǒng)和水出口，確定水道芯的凝固收縮參數(shù)，然后依照產(chǎn)品模型的收縮參數(shù)和尺寸，構(gòu)建完成水道芯和模具型腔的CAD 模型。為了避免受水道芯的階梯效應(yīng)的影響，可以選定合理的模型進(jìn)行分層分析，最終導(dǎo)出可以供3D 打印機(jī)識(shí)別的代碼。3D 打印機(jī)可以依據(jù)加工的識(shí)別碼，掃描出水道芯的每一層截面，直到能夠加工出符合要求的型腔物理模型。隨后再對(duì)打印砂型進(jìn)行加熱處理，確保砂型模成型。然后對(duì)成型的砂型模的表面進(jìn)行打磨，并且涂抹防火材料進(jìn)行重力澆注得到模具的毛坯。最后對(duì)所得到的模具毛坯進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。

5 結(jié)語

圖2 3D 打印模具流程圖（SLS）

3D 打印技術(shù)發(fā)展到一定的階段以后產(chǎn)生了隨形冷卻技術(shù)，隨形冷卻技術(shù)使模具制造行業(yè)的隨形冷卻水道成為了可能。3D打印技術(shù)使模具的生產(chǎn)效率得以快速提升，隨形冷卻技術(shù)可以使模具快速冷卻，極大地縮短了塑料模具冷卻的時(shí)間，提高了塑料模具的生產(chǎn)質(zhì)量。