3D打印隨形水路在鉸鏈蓋模具上的應(yīng)用

鄭家崢，呂宏貴，楊金龍

（1.中國(guó)華錄·松下電子信息有限公司，遼寧大連 116023；2.中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

1 引言

注射模隨形冷卻概念在20 世紀(jì)90 年代出現(xiàn)。與傳統(tǒng)的冷卻水道理念不同，隨形冷卻水道的形狀并不是直線型，而是隨著模具造型變化的，如圖1 所示。隨形冷卻水道可以解決由傳統(tǒng)冷卻水道造成的冷卻不均勻，冷卻效果差，冷卻效率低等問(wèn)題，但是受當(dāng)時(shí)機(jī)械加工技術(shù)限制，很難應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。隨著近年來(lái)3D 打印技術(shù)的飛速發(fā)展，隨形冷卻技術(shù)商用化也逐漸成熟，成為了模具技術(shù)的一個(gè)熱門(mén)研究課題。

圖1 直線型水道與隨型水道示意圖

2 塑件分析

本文以鉸鏈蓋塑件為實(shí)例，塑件造型如圖2 所示，直徑為?26.24mm，高15.92mm，四周壁厚均勻約1.5mm，頂部壁厚1.5mm，塑件材料為ABS。

從圖2 中可以看出，該塑件造型較為簡(jiǎn)單，不需要側(cè)抽結(jié)構(gòu)。背側(cè)有深腔，壁厚較薄，需要多個(gè)頂桿才能順利脫模頂出，同時(shí)內(nèi)側(cè)部位冷卻困難，容易出現(xiàn)冷卻不均勻現(xiàn)象。

圖2 鉸鏈蓋塑件示意圖

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 傳統(tǒng)冷卻水道設(shè)計(jì)方案

首次設(shè)計(jì)時(shí)，按常規(guī)方式設(shè)計(jì)此模具，因傳統(tǒng)冷卻水道由于受加工能力限制，難以在動(dòng)模側(cè)添加有效的水道。首先考慮在動(dòng)模側(cè)設(shè)計(jì)隔板式冷卻水道，但此塑件尺寸較小，隔板式冷卻水道會(huì)與頂出結(jié)構(gòu)干涉，因此，在模具動(dòng)模側(cè)設(shè)計(jì)常規(guī)的傳統(tǒng)冷卻水道，定模側(cè)無(wú)特殊結(jié)構(gòu)，也采用傳統(tǒng)冷卻水道設(shè)計(jì)。此模具鑲塊客戶指定使用潛伏澆口形式。綜上所述，設(shè)計(jì)鑲塊如圖3所示。

圖3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

如圖3所示，塑件頂出需要4根頂桿，基本完全占據(jù)了塑件內(nèi)側(cè)型腔處空間，無(wú)法添加隔板式冷卻水道。動(dòng)模側(cè)因潛伏澆口結(jié)構(gòu)，鑲塊結(jié)構(gòu)需拼鑲，鑲塊冷卻水道直徑均為?8mm，添加脫模斜度1°，模具一模兩取。模具設(shè)計(jì)完成后投入制造。

3.2 隨形冷卻水道設(shè)計(jì)方案

模具設(shè)計(jì)完成后，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，塑件造型與之前基本相同。為改善冷卻效果的需求及解決生產(chǎn)課題，決定采用隨形冷卻方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)想設(shè)計(jì)方案為在定模側(cè)采用螺旋式隨形水道，環(huán)繞模具型腔。動(dòng)模側(cè)在避開(kāi)頂出結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)帶有隨形冷卻水道的注射模主鑲塊，因使用3D打印技術(shù)制造鑲塊，因此，頂出結(jié)構(gòu)也可做出改善。原模具塑件頂出后，動(dòng)模測(cè)頂桿印過(guò)重，影響使用，最終決定更改澆口方式為點(diǎn)澆口，更改澆口位置為塑件中心，模具1模2腔，同時(shí)更改定模側(cè)冷卻水道截面，將螺旋式水道合并為非圓形水道，增加氣體輔助頂出結(jié)構(gòu)。最終設(shè)計(jì)鑲塊如圖4、圖5所示，關(guān)鍵件圖如圖6所示，模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖4 隨形冷卻動(dòng)模鑲塊結(jié)構(gòu)圖

圖5 隨形冷卻動(dòng)模鑲塊結(jié)構(gòu)圖

圖6 動(dòng)模側(cè)關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)圖

圖7 模具結(jié)構(gòu)圖

4 模擬分析對(duì)比

兩副模具實(shí)際制造時(shí)均為1 模2 腔，為了讓研究分析更加直觀，本文對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)分析，取單腔水道近似模型進(jìn)行分析。兩副模具冷卻水道對(duì)比如圖8所示。

圖8 兩種冷卻水道對(duì)比圖

通過(guò)MoldFlow 模流分析軟件推薦的進(jìn)行模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

（1）達(dá)到頂出溫度的時(shí)間。

傳統(tǒng)冷卻水道模具與隨形冷卻水道模具的塑件達(dá)到頂出溫度所需時(shí)間分別如圖9和圖10所示。

圖9 傳統(tǒng)冷卻水道模具塑件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間

圖10 隨形冷卻水道模具塑件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間

傳統(tǒng)冷卻水道模具方案達(dá)到頂出溫度時(shí)間為3.606s，而隨形冷卻水道方案模具達(dá)到頂出溫度時(shí)間為3.462s，低于傳統(tǒng)冷卻水道方案。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨形冷卻水道模具塑件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間減少了，即冷卻時(shí)間減少，冷卻效率更高，成型周期縮短。提升了生產(chǎn)效率。

（2）模具鑲塊型腔表面溫度。

傳統(tǒng)冷卻水道模具與隨形冷卻水道模具鑲塊型腔表面溫度分別如圖11、圖12所示。

從圖11、圖12中的數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)冷卻水道模具表面溫度最高為59.39℃。隨形冷卻水道模具表面溫度為55.13℃，冷卻效果更好。且因?yàn)閭鹘y(tǒng)直線型冷卻水道與模具型腔表面的距離是變化的，所以會(huì)出現(xiàn)冷卻不均的問(wèn)題，而隨形冷卻水道方案模具在動(dòng)模側(cè)添加了螺旋冷卻水道，使得動(dòng)模側(cè)均勻冷卻，解決了冷卻不均的問(wèn)題。

圖11 傳統(tǒng)冷卻水道模具溫度

圖12 隨形冷卻水道模具溫度

（3）翹曲變形。

傳統(tǒng)冷卻水道模具與隨形冷卻水道模具塑件翹曲變形量分別如圖13、圖14所示。

圖13 傳統(tǒng)冷卻水道模具翹曲變形

圖14 隨形冷卻水道模具翹曲變形

從圖13、圖14中的數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)冷卻水道模具塑件翹曲變形量最大達(dá)到0.3216mm，翹曲量主要集中在0.2547mm 左右；而隨形冷卻水道模具塑件翹曲變形量最大為.3081，翹曲量主要集中在0.2445mm 左右。最大變形量相差0.0135mm，一般變形量相差0.0102mm。隨形冷卻水道模具不僅在冷卻效率上有提升，在塑件質(zhì)量上也有改善。

5 實(shí)例驗(yàn)證

5.1 3D打印技術(shù)介紹

選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）是根據(jù)離散-堆積的原理，在選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型3D打印技術(shù)。一般使用直徑為?30μm左右的單一組份金屬粉末作為成型材料。SLM 技術(shù)與SLS技術(shù)相比，激光功率更大，在原材料選擇上，范圍更廣，且成型時(shí)材料不需要混合粘結(jié)劑參與制造。在3D打印過(guò)程中，高能激光束加工的部位，金屬粉末被快速加熱并熔化，形成熔池，激光束移走，熔池迅速冷卻凝固。

目前SLM技術(shù)是被運(yùn)用最廣泛的3D打印技術(shù)之一，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）工藝簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)機(jī)械加工方式有車銑刨磨等各種工藝，需要各種機(jī)床來(lái)完成加工，SLM 技術(shù)只需要SLM成型設(shè)備即可。

（2）復(fù)雜零件成型性好，成品率高。加工復(fù)雜工件時(shí)，不受工件復(fù)雜結(jié)構(gòu)影響，對(duì)復(fù)雜工件有良好的加工性。

（3）材料利用率高，增材打印技術(shù)，幾乎沒(méi)有材料浪費(fèi)。

（4）力學(xué)性能好，增材打印過(guò)程中，內(nèi)應(yīng)力小。

5.2 鑲塊制造與塑件生產(chǎn)

此次鑲塊制造使用設(shè)備型號(hào)為松浦LUMEX Avance-25 型號(hào)的3D 金屬光造型復(fù)合加工機(jī)。設(shè)備激光發(fā)生器為Yb 光纖激光器；激光輸出功率為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格200W，選配規(guī)格400W；最大工件尺寸為W250×D250mm；主軸轉(zhuǎn)速為標(biāo)準(zhǔn)45,000min-1，選配件60,000min-1；軸行程（X/Y/Z）：260/260/100mm；進(jìn)給速度（X/Y/Z）：60/60/30min。如圖15 所示。

圖15 SLM金屬3D打印機(jī)

注射成型使用FANUC T-75D成型機(jī)，如圖16所示。兩種模具生產(chǎn)均使用此機(jī)床。

圖16 FANUC成型機(jī)

其中傳統(tǒng)水道模具生產(chǎn)參數(shù)：噴嘴溫度240℃，1段240℃，2 段230℃，3 段220℃，料筒70℃。材料ABS，80℃干燥3h，最大射出壓力1,500kg/cm2。

隨型水道模具生產(chǎn)參數(shù)：噴嘴溫度250℃，1 段250℃，2 段240℃，3 段230℃，料筒60℃。材料ABS，80℃干燥4h。最大射出壓力1,900kg/cm2。

氣體輔助頂出裝置如圖17所示。

圖17 氣體輔助頂出裝置

5.3 結(jié)果與討論

對(duì)比傳統(tǒng)冷卻水道模具與隨型冷卻水道模具的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。與傳統(tǒng)冷卻水道模具相比，隨型冷卻水道模具型腔表面溫度低4.23℃，冷卻時(shí)間減少0.144s，最大翹曲量減小0.111mm。冷卻效率和塑件質(zhì)量均有所提高。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

在實(shí)際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)冷卻水道模具生產(chǎn)時(shí)整個(gè)注射成型周期循環(huán)時(shí)間為32s。其中最大射出時(shí)間2s，最大保壓時(shí)間4s，冷卻時(shí)間15s，開(kāi)模頂出時(shí)間5s。隨型冷卻水道模具生產(chǎn)時(shí)整個(gè)注射成型周期循環(huán)時(shí)間為39s。其中最大射出時(shí)間2s，最大保壓時(shí)間4s，冷卻時(shí)間10s，開(kāi)模頂出時(shí)間15s。對(duì)比如表2所示。從表中對(duì)比可以看出，隨型冷卻模具雖然整體循環(huán)周期較長(zhǎng)，但其原因?yàn)闅怏w輔助頂出方式頂出時(shí)間較長(zhǎng)，屬于為滿足塑件質(zhì)量要求的必要時(shí)間。在冷卻時(shí)間上，隨型冷卻水道模具冷卻時(shí)間為傳統(tǒng)水道模具的2/3。傳統(tǒng)冷卻模具動(dòng)定模溫度均為80℃，隨型冷卻模具動(dòng)定模溫度均為70℃?？梢?jiàn)大大地縮短了冷卻時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，也改善了冷卻質(zhì)量。同時(shí)因?yàn)樯a(chǎn)時(shí)，成型參數(shù)略有不同，隨型冷卻模具注塑料溫度更高，實(shí)際冷卻效果優(yōu)于實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比。

表2 生產(chǎn)周期對(duì)比

兩種塑件實(shí)物如圖18、圖19所示。

圖18 傳統(tǒng)水道模具塑件實(shí)物圖

圖19 隨型水道模具塑件實(shí)物圖

從兩種塑件圖中可以看出，傳統(tǒng)冷卻水道模具，背部型腔有4個(gè)明顯的頂出印。隨型冷卻水道模具型腔處無(wú)明顯頂出痕跡，澆口附近有氣體輔助頂出痕跡，塑件其它部位均無(wú)明顯問(wèn)題。

6 總結(jié)

本文以實(shí)際生產(chǎn)的鉸鏈蓋模具為研究對(duì)象，進(jìn)行模具隨型冷卻水道改造方案設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)冷卻水道模具的成型效果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證隨型冷卻水道對(duì)成型過(guò)程中的冷卻效果起到優(yōu)化作用。利用SLM 技術(shù)制造所設(shè)計(jì)的模具鑲塊。并成功生產(chǎn)塑件，經(jīng)驗(yàn)證，與模流分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。即隨型冷卻水道模具在冷卻效率、冷卻效果及塑件變形翹曲等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)冷卻水道模具。