基于3D打印的玩具槍彈夾模具水路設(shè)計

賴幸娜，于維斌

(東莞市機(jī)電工程學(xué)校，廣東 東莞 523846)

0 引言

為了滿足日新月異的產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展，新興的3D金屬打印技術(shù)逐漸在模具制造行業(yè)中凸顯優(yōu)勢。3D金屬打印也叫增材制造，相對于傳統(tǒng)模具加工制造，其具有設(shè)計不受限制、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。[1]本文嘗試把3D金屬打印技術(shù)引入到多孔深腔模具制造，利用增材制造加工特性設(shè)計隨形水路，使型腔溫度更均勻，有效提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。[2]

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為玩具槍彈夾，產(chǎn)品為8個空心圓柱體，分兩行排列，圓柱體之間通過塑料筋板連接。產(chǎn)品長寬高為73 mm×50 mm×78 mm，壁厚為0.9 mm。產(chǎn)品多內(nèi)孔，內(nèi)孔大徑為12.4 mm，有深腔且在每個深腔的中心位置有一個高度為47.5 cm的十字骨結(jié)構(gòu)。加工工藝要求表面光滑，無縮孔及飛邊等缺陷。

(a) 產(chǎn)品正面

(b) 產(chǎn)品反面

(c) 產(chǎn)品剖視圖

該塑件主要用于內(nèi)部加裝塑膠子彈，通過氣體壓力發(fā)射玩具子彈。要求有良好的耐磨、耐腐蝕性及抗沖擊變形的能力。為滿足以上條件，在塑件的材料選擇上采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)。

該塑件產(chǎn)品需求量大且總體尺寸偏小，故在模具設(shè)計時采用一模兩腔的結(jié)構(gòu)，進(jìn)膠口設(shè)置在產(chǎn)品的側(cè)面。型腔布局與澆注系統(tǒng)如圖2所示，產(chǎn)品兩型腔之間的距離為39 mm。

圖2 型腔布局

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上有多孔深腔，深腔內(nèi)部有十字骨結(jié)構(gòu)且排列緊密，需要添加兩個鑲塊才能達(dá)到產(chǎn)品注塑成型的要求，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖3所示。為了確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對冷卻水路的設(shè)計有了更高的要求。

圖3 注塑成型鑲塊

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)玩具槍彈夾的結(jié)構(gòu)特點，作者設(shè)計了兩套冷卻水路方案。一套為傳統(tǒng)水路設(shè)計方案，另一套為3D金屬打印隨形水路設(shè)計方案。

2.1 傳統(tǒng)水路設(shè)計方案

玩具槍彈夾模具的型芯型腔設(shè)計布局，受到加工刀具限制、材料金屬強(qiáng)度等因素的影響，按照傳統(tǒng)的加工方式很難深入到鑲塊內(nèi)部進(jìn)行冷卻。加之零件的壁厚太小，傳統(tǒng)水路沒辦法穿過模具的上層，達(dá)到全方面冷卻。因此本方案通過在鑲塊2外部設(shè)計橫向水路，在鑲塊1隔斷空隙設(shè)計縱向水路來提高冷卻效果，如圖4所示。

傳統(tǒng)冷卻水路總體設(shè)計方案如圖5所示： 共有3條冷卻水路，其中水路1，3負(fù)責(zé)塑件外部的冷卻，水路2負(fù)責(zé)內(nèi)部深腔的冷卻。

圖4 傳統(tǒng)水路設(shè)計的位置布局

圖5 傳統(tǒng)冷卻水路設(shè)計方案

2.2 隨形水路設(shè)計方案

隨形冷卻水路總體設(shè)計方案如圖6所示： 根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合隨形水路的特點，采用水路隨形環(huán)繞的設(shè)計。此設(shè)計的優(yōu)點在于水路可以緊密貼合塑件產(chǎn)品，由圖6可知隨形水路跟產(chǎn)品環(huán)繞進(jìn)出，冷卻效果更好。與傳統(tǒng)水路設(shè)計相同，共有3條冷卻水路。其中水路1，3負(fù)責(zé)塑件內(nèi)部的冷卻，水路2負(fù)責(zé)相鄰深腔間隙的冷卻。按照一模兩腔的模具結(jié)構(gòu)，隨形水路呈對稱分布于型腔兩側(cè)，位置關(guān)系如圖7所示。

如圖8所示： 隨形水路的截面最薄處大約厚1.2 mm，精度誤差小。整體采取交錯水路設(shè)計，能增強(qiáng)金屬強(qiáng)度，有效地提升水路使用壽命。

圖6 隨形冷卻水路設(shè)計方案

圖7 隨形水路設(shè)計的位置布局

圖8 隨形水路局部

3 冷卻效果對比分析

3.1 工藝參數(shù)設(shè)置

根據(jù)ABS塑料的特性和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，為了方便對兩種水路的冷卻效果進(jìn)行對比，統(tǒng)一設(shè)定工件原始溫度為200 ℃，冷卻水溫度為50 ℃，冷卻時間設(shè)定為15 s。

在冷卻水路材料的選擇方面，為了更精確地對比，傳統(tǒng)水路的設(shè)計方案選擇模具鋼和鈹銅這兩種常用水路金屬來進(jìn)行模擬。3D金屬打印材料則選擇H13模具鋼粉末，硬度要求HRC 50(熱處理加工后)。

3.2 產(chǎn)品冷卻結(jié)果分析

通過Moldflow模擬分析產(chǎn)品的總體模具溫度，熔融態(tài)塑膠的能量傳導(dǎo)和剪切熱屬性都反映到總體溫度，要求在注塑過程中總體溫度保持均勻。在固定的工藝參數(shù)條件下對兩種水路方案進(jìn)行對比實驗，確認(rèn)最優(yōu)水路冷卻方案。

3.2.1 傳統(tǒng)水路(模具鋼)溫度

如圖9所示： 通過Moldflow模擬數(shù)據(jù)可以看出，在給定的工藝參數(shù)下，第15 s時，塑件大多為紅色，最高溫度為200 ℃，只有在底部兩側(cè)較小位置才達(dá)到稍低的溫度，即150 ℃，溫度差為50 ℃。塑件所在的主要部分基本全部為紅色，冷卻效果差，膠位冷卻不到。

圖9 以模具鋼為原料的傳統(tǒng)冷卻水路溫度模擬

3.2.2 傳統(tǒng)水路(鈹銅)溫度

鈹銅作為常用的冷卻水路材料，散熱效率高于模具鋼，但是通過Moldflow模擬，塑件所在的區(qū)域仍未達(dá)到理想溫度。如圖10所示： 塑件部分的最低溫度約為80 ℃，最高溫度為177 ℃，溫度差為97 ℃，冷卻效果依然不理想，膠位冷卻不均勻。

圖10 以鈹銅為原料的傳統(tǒng)冷卻水路溫度模擬

3.2.3 隨形水路溫度

如圖11所示： 在第15 s時，模具大部分的溫度都已經(jīng)降到理想溫度50 ℃，尤其是塑件所在區(qū)域全部為藍(lán)色，塑件部分最高溫度、最低溫度均為50 ℃，溫度差為0，冷卻均勻且迅速。

圖11 隨形冷卻水路溫度模擬

傳統(tǒng)水路與隨形水路冷卻效果對比如表1所示： 在規(guī)定的工藝參數(shù)條件下，傳統(tǒng)水路方案冷卻效果差。雖然改換了水路材料后，冷卻效果有所提高，但因為水路結(jié)構(gòu)的問題，沒有實質(zhì)性的改變。采用水路跟形環(huán)繞設(shè)計的隨形水路冷卻效果明顯，在既定條件下膠位冷卻效率高，完全達(dá)到實際生產(chǎn)要求。

表1 傳統(tǒng)水路與隨形水路冷卻效果對比

4 實際生產(chǎn)驗證

按照跟形環(huán)繞設(shè)計的隨形水路要求，采用選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)進(jìn)行增材打印。在打印材料方面選擇1.234 4的H13金屬粉末，硬度為HRC 36。圖12為模具成型的塑件成品。經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品生產(chǎn)周期為35 s，相對于傳統(tǒng)冷卻水路超過55 s的生產(chǎn)周期，效率提升了36%以上。根據(jù)實際出產(chǎn)的塑件質(zhì)量，完全符合產(chǎn)品設(shè)計和使用要求。

圖12 模具成型塑件

雖然隨形水路易于制造，能明顯提升生產(chǎn)效率，但在實際生產(chǎn)中也有一些注意事項。如圖13所示，水路增材制造是需要做防銹處理的。在生產(chǎn)時需要接純凈過濾水，防止細(xì)小水路的堵塞，通常使用凈水機(jī)進(jìn)行凈水處理，成本低廉，可以滿足大部分生產(chǎn)需要。

圖13 堆積了87%的二氧化硅水垢與無水垢的管狀冷卻水路的比較

5 結(jié)語

通過對兩種玩具槍彈夾模具水路設(shè)計方案的對比發(fā)現(xiàn)，基于3D金屬打印水路跟形環(huán)繞的設(shè)計，冷卻效果好，效率高。相對傳統(tǒng)加工水路，其可以根據(jù)塑件的需要隨意設(shè)計水路，避免產(chǎn)生冷卻盲區(qū)，很大程度上提高了塑件成型質(zhì)量，有效縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品單價。該設(shè)計對多孔深腔類塑件產(chǎn)品的水路設(shè)計有參考意義。