3D打印技術下塑料模具制造技術研究

陳瑞兵

（東莞理工學校，廣東 東莞 523000）

由于傳統的塑料模具冷卻方式往往是通過水來實現，這使得塑料模具的質量會受到冷卻方式的直接影響，傳統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行操作的，塑料模具內部的水道分布、直徑以及水道的數量都會對模具的質量產生直接的影響。

1 3D打印技術在模具制造中的應用

3D 打印技術主要是通過逆向思維的方式進行模具生產，通過3D 打印技術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的時間周期。3D 打印技術可以與傳統模具生產技術有機結合、發揮優勢，更好地完成模具的生產工作。3D 打印主要分為3D 建模、模型分層和打印3 個環節。3D 建模的質量對于后續產品的大規模生產有著非常重要的影響，利用3D 打印技術能夠在三維空間上確定物體的各項參數，確保模具的空間坐標，從而使模具的形狀符合最終產品生產的需求。模型分層主要是利用3D 打印軟件將模具自動分為很多層，并在每一層儲存相關的數據信息，分層數量越多，則產品的精度越高，但是也會導致產品的生產速度降低[1]。在最后打印這一環節，3D 打印機能夠自動按照所設定的程序讀取數據信息，最終實現3D 打印粉末成型，生產出符合要求的模具。

2 直線型冷卻與隨形冷卻技術的對比分析

傳統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，所以對塑料的冷卻效果也就有著較大的差異。這是傳統冷卻水道無法規避的問題。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]。直線型疏導的加工方式一般需要經過切割和鉆孔等方式進行加工，這使得管道的加工難度相對較大，對施工工人的技術要求較高，但是這種直線型水道的冷卻效率卻相對較低。隨形隧道主要是通過3D 打印技術進行加工，工人只需要按照操作步驟進行施工即可，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生改變，型腔表面的溫度能夠在很短的時間內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，直線冷卻系統對于模具型芯、型腔的要求較高，一旦型芯、型腔相對復雜，會導致模具制造的難度非常大，冷卻水的流向也非常復雜，這就需要進行大量的鉆孔操作。隨形水道中的冷卻水對模具進行冷卻的時候，不會出現由于模具內部結構復雜情況而導致冷卻不均勻的現象，所以能夠滿足復雜的型芯、型腔模具冷卻要求。

圖1 直線冷卻系統與隨形冷卻系統結構圖

3 基于選擇性激光燒結（SLS）技術的隨形冷卻水道塑料模制造技術

3.1 產品及模具分析

在使用3D 打印技術之前，需要對模具進行簡單的分析，確保選用合適的方式進行加工。以水杯為例，由于水杯造型相對簡單，分型相對容易，所以可以作為隨形冷卻水道的案例。內置的冷卻水道成型零件可以分為2 個部分，一個是型腔，一個是型芯，分別固定在定模板以及動模板上。冷卻水道就被設計在型腔和型芯內部。

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+堵孔的方式進行設計，但是由于型芯的結構相對較小，所以在采用直線型冷卻水道時難度相對較大，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、型腔的加工及調試

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

如圖2 所示，砂型模拆開單獨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度不斷增強，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，避免對隨形冷卻水道產生影響。在完成砂型模打印以后，由于砂型模的硬度和強度暫時無法滿足要求，所以需要對砂型模進行物理烘烤處理，確保砂型模的強度和硬度滿足要求。在完成砂型模的生產后，需要對砂型模進行鑄造和精加工。首先將鑄鋼材質液體沿著角落慢慢導入砂型模的內部，等到液體的鑄鋼材質轉變為固態以后，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粗糙，并且設計時給精加工預留了一定的加工尺寸，所以無法直接運用到實際的工藝制作中，需要對模具進行精加工，確保模具的精度和表面滿足要求。

4 基于SLS技術的CCC塑料模制造技術

4.1 產品及模具分析

選取心形杯子為例，通過對該產品進行分析可知，該產品的結構相對簡單，可以作為隨行水道模具制造的代表進行分析。其內置的冷卻水道可以拆分成為2 個零件，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的模板中，冷卻水道就被設計在這2 個型芯和型腔內部。

4.2 冷卻水道分析

在設計型腔直線型水道時，主要采用打孔和堵孔的方式，由于型芯的內部構造相對較小，在型芯內部設計出縱橫交錯的直線型冷卻水道的難度較大，所以在實際的設計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構上相互平行的心型環的方式，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、型腔的加工及調試

如果將砂型模直接打印出來，會導致砂型模內部沒有支撐，沒有內部支撐的砂型模可能無法滿足強度的要求。所以在鑄造型腔的時候，需要將砂型模去掉，避免其對冷卻水道的結構產生影響。在通過3D 打印技術打印完成砂型模以后，需要對砂型模進行烘烤，確保砂型模的強度以及硬度能夠滿足實際生產的需求。最后工作人員再將鋁合金液體注入砂型模的內部，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，這樣就可以得到對應的型腔以及型芯鋁合金鑄件。

4.4 基于3D技術的塑料模制造技術分析

首先利用CAD 軟件構建模型，對鑄造模具進行工藝分析，設計出澆注系統和水出口，確定水道芯的凝固收縮參數，然后依照產品模型的收縮參數和尺寸，構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的影響，可以選定合理的模型進行分層分析，最終導出可以供3D 打印機識別的代碼。3D 打印機可以依據加工的識別碼，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。隨后再對打印砂型進行加熱處理，確保砂型模成型。然后對成型的砂型模的表面進行打磨，并且涂抹防火材料進行重力澆注得到模具的毛坯。最后對所得到的模具毛坯進行表面強化處理。

5 結語

圖2 3D 打印模具流程圖（SLS）

3D 打印技術發展到一定的階段以后產生了隨形冷卻技術，隨形冷卻技術使模具制造行業的隨形冷卻水道成為了可能。3D打印技術使模具的生產效率得以快速提升，隨形冷卻技術可以使模具快速冷卻，極大地縮短了塑料模具冷卻的時間，提高了塑料模具的生產質量。