3D打印隨形水路在鉸鏈蓋模具上的應用

鄭家崢，呂宏貴，楊金龍

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

1 引言

注射模隨形冷卻概念在20 世紀90 年代出現。與傳統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冷卻水道造成的冷卻不均勻，冷卻效果差，冷卻效率低等問題，但是受當時機械加工技術限制，很難應用于實際生產中。隨著近年來3D 打印技術的飛速發展，隨形冷卻技術商用化也逐漸成熟，成為了模具技術的一個熱門研究課題。

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，該塑件造型較為簡單，不需要側抽結構。背側有深腔，壁厚較薄，需要多個頂桿才能順利脫模頂出，同時內側部位冷卻困難，容易出現冷卻不均勻現象。

圖2 鉸鏈蓋塑件示意圖

3 設計方案

3.1 傳統冷卻水道設計方案

首次設計時，按常規方式設計此模具，因傳統冷卻水道由于受加工能力限制，難以在動模側添加有效的水道。首先考慮在動模側設計隔板式冷卻水道，但此塑件尺寸較小，隔板式冷卻水道會與頂出結構干涉，因此，在模具動模側設計常規的傳統冷卻水道，定模側無特殊結構，也采用傳統冷卻水道設計。此模具鑲塊客戶指定使用潛伏澆口形式。綜上所述，設計鑲塊如圖3所示。

圖3 模具結構設計圖

如圖3所示，塑件頂出需要4根頂桿，基本完全占據了塑件內側型腔處空間，無法添加隔板式冷卻水道。動模側因潛伏澆口結構，鑲塊結構需拼鑲，鑲塊冷卻水道直徑均為?8mm，添加脫模斜度1°，模具一模兩取。模具設計完成后投入制造。

3.2 隨形冷卻水道設計方案

模具設計完成后，對模具結構進行優化，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課題，決定采用隨形冷卻方式進行設計。預想設計方案為在定模側采用螺旋式隨形水道，環繞模具型腔。動模側在避開頂出結構的基礎上，設計帶有隨形冷卻水道的注射模主鑲塊，因使用3D打印技術制造鑲塊，因此，頂出結構也可做出改善。原模具塑件頂出后，動模測頂桿印過重，影響使用，最終決定更改澆口方式為點澆口，更改澆口位置為塑件中心，模具1模2腔，同時更改定模側冷卻水道截面，將螺旋式水道合并為非圓形水道，增加氣體輔助頂出結構。最終設計鑲塊如圖4、圖5所示，關鍵件圖如圖6所示，模具結構如圖7所示。

圖4 隨形冷卻動模鑲塊結構圖

圖5 隨形冷卻動模鑲塊結構圖

圖6 動模側關鍵件結構圖

圖7 模具結構圖

4 模擬分析對比

兩副模具實際制造時均為1 模2 腔，為了讓研究分析更加直觀，本文對冷卻系統進行分析時分析，取單腔水道近似模型進行分析。兩副模具冷卻水道對比如圖8所示。

圖8 兩種冷卻水道對比圖

通過MoldFlow 模流分析軟件推薦的進行模擬對比實驗。

（1）達到頂出溫度的時間。

傳統冷卻水道模具與隨形冷卻水道模具的塑件達到頂出溫度所需時間分別如圖9和圖10所示。

圖9 傳統冷卻水道模具塑件達到頂出溫度的時間

圖10 隨形冷卻水道模具塑件達到頂出溫度的時間

傳統冷卻水道模具方案達到頂出溫度時間為3.606s，而隨形冷卻水道方案模具達到頂出溫度時間為3.462s，低于傳統冷卻水道方案。通過對比可以發現，隨形冷卻水道模具塑件達到頂出溫度的時間減少了，即冷卻時間減少，冷卻效率更高，成型周期縮短。提升了生產效率。

（2）模具鑲塊型腔表面溫度。

傳統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中的數據可以看出，傳統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。且因為傳統直線型冷卻水道與模具型腔表面的距離是變化的，所以會出現冷卻不均的問題，而隨形冷卻水道方案模具在動模側添加了螺旋冷卻水道，使得動模側均勻冷卻，解決了冷卻不均的問題。

圖11 傳統冷卻水道模具溫度

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中的數據可以看出，傳統冷卻水道模具塑件翹曲變形量最大達到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，在塑件質量上也有改善。

5 實例驗證

5.1 3D打印技術介紹

選擇性激光熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）是根據離散-堆積的原理，在選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）技術基礎上發展的一種新型3D打印技術。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 技術與SLS技術相比，激光功率更大，在原材料選擇上，范圍更廣，且成型時材料不需要混合粘結劑參與制造。在3D打印過程中，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技術是被運用最廣泛的3D打印技術之一，它具有如下優點：

（1）工藝簡單。傳統機械加工方式有車銑刨磨等各種工藝，需要各種機床來完成加工，SLM 技術只需要SLM成型設備即可。

（2）復雜零件成型性好，成品率高。加工復雜工件時，不受工件復雜結構影響，對復雜工件有良好的加工性。

（3）材料利用率高，增材打印技術，幾乎沒有材料浪費。

（4）力學性能好，增材打印過程中，內應力小。

5.2 鑲塊制造與塑件生產

此次鑲塊制造使用設備型號為松浦LUMEX Avance-25 型號的3D 金屬光造型復合加工機。設備激光發生器為Yb 光纖激光器；激光輸出功率為標準規格200W，選配規格400W；最大工件尺寸為W250×D250mm；主軸轉速為標準45,000min-1，選配件60,000min-1；軸行程（X/Y/Z）：260/260/100mm；進給速度（X/Y/Z）：60/60/30min。如圖15 所示。

圖15 SLM金屬3D打印機

注射成型使用FANUC T-75D成型機，如圖16所示。兩種模具生產均使用此機床。

圖16 FANUC成型機

其中傳統水道模具生產參數：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。

隨型水道模具生產參數：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 結果與討論

對比傳統冷卻水道模具與隨型冷卻水道模具的實驗結果如表1所示。與傳統冷卻水道模具相比，隨型冷卻水道模具型腔表面溫度低4.23℃，冷卻時間減少0.144s，最大翹曲量減小0.111mm。冷卻效率和塑件質量均有所提高。

表1 實驗數據對比

在實際生產中，傳統冷卻水道模具生產時整個注射成型周期循環時間為32s。其中最大射出時間2s，最大保壓時間4s，冷卻時間15s，開模頂出時間5s。隨型冷卻水道模具生產時整個注射成型周期循環時間為39s。其中最大射出時間2s，最大保壓時間4s，冷卻時間10s，開模頂出時間15s。對比如表2所示。從表中對比可以看出，隨型冷卻模具雖然整體循環周期較長，但其原因為氣體輔助頂出方式頂出時間較長，屬于為滿足塑件質量要求的必要時間。在冷卻時間上，隨型冷卻水道模具冷卻時間為傳統水道模具的2/3。傳統冷卻模具動定模溫度均為80℃，隨型冷卻模具動定模溫度均為70℃。可見大大地縮短了冷卻時間，提高了生產效率，也改善了冷卻質量。同時因為生產時，成型參數略有不同，隨型冷卻模具注塑料溫度更高，實際冷卻效果優于實際數據對比。

表2 生產周期對比

兩種塑件實物如圖18、圖19所示。

圖18 傳統水道模具塑件實物圖

圖19 隨型水道模具塑件實物圖

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

6 總結

本文以實際生產的鉸鏈蓋模具為研究對象，進行模具隨型冷卻水道改造方案設計，并與傳統冷卻水道模具的成型效果進行對比，驗證隨型冷卻水道對成型過程中的冷卻效果起到優化作用。利用SLM 技術制造所設計的模具鑲塊。并成功生產塑件，經驗證，與模流分析實驗結果相同。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均優于傳統冷卻水道模具。