空調面板透光顯示區域注射模設計

周艷文，鄒功成，高 超，黃如周，謝 亮

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

空調內機面板是整機的主要外觀面，一般都有顯示區域。顯示區域一般分為2種：①有局部顯示減薄區域不需噴涂、使用HIPS材料成型的高光款面板；②有顯示區域但沒有局部減薄區域需要噴涂、使用透明ABS或PC材料成型的噴涂款面板。為保證空調面板的外觀質量，面板主體壁厚為2.4～3.0 mm，而顯示區域局部壁厚也是2種：不噴涂的面板壁厚1.30+0.25mm；噴涂的面板壁厚（2.4～3.0）-0.1+0.1mm，與主體壁厚保持一致。免噴涂款面板局部顯示減薄區域注射成型時容易產生鼓包或下塌，長度水平方向兩邊鼓包或下塌較顯著。高光款面板有局部顯示減薄區域采用倒裝模具成型，澆注系統采用針閥時序熱流道，有局部顯示減薄區域附近必須設有3個針閥熱噴嘴進料，避免因快速注射成型導致局部顯示減薄區排氣困難而造成空調面板顯示區域的質量問題。

1 空調面板透光顯示減薄區域

目前3D打印的模具零件在隨形冷卻方面有著良好的效果。現有模具結構通常在排氣困難區域增加排氣鋼鑲件進行排氣。排氣鋼具有良好的排氣性能，但排氣鋼存在硬度低、冷卻性能差、成本高、微孔易堵塞等缺點。

現采用3D打印技術開發了仿生鋼，仿生鋼加工制造的模具零件融合了隨形冷卻和排氣鋼的優勢，還規避了3D打印零件和排氣鋼的缺點。

以某高光款空調面板為例，如圖1所示，面板的外形尺寸為961.9 mm×266.2 mm×79.6 mm，主體壁厚為2.4 mm，面板透光顯示區域的過度減薄區域，最薄區域的尺寸為150 mm×58 mm，最薄壁厚為1.3 mm。

圖1 空調面板網絡厚度診斷

面板體積：883 cm3，投影面積：2 527 cm2。高光免噴涂款面板材料采用HIPS，引進高光蒸氣機輔助設備，可消除面板外觀上的熔接痕，采用針閥熱流道倒裝模具，澆口設置在面板內壁上，6點時序控制進料，如圖2所示，G1、G2、G3熱噴嘴為第一組，同時進料；G4、G5、G6熱噴嘴為第二組，延時1.2 s進料。

圖2 空調面板針閥熱流道

在顯示減薄區域附近設置3個進料口，分別是G4、G5、G6熱噴嘴，同時開啟進料，確保模具型腔快速完成填充，但在減薄區域排氣困難，如圖3所示。

圖3 空調面板減薄區域排氣困難區域

1.1 空調面板現有模具增加排氣片結構

為解決面板減薄區域表面鼓包不平、排氣困難等問題，模具在成型面板減薄區設置多個排氣片，在每個排氣片的側面和底部開設排氣槽，所有排氣片用銷釘串聯，所有排氣槽開設在同一條線上利用氣道排氣，解決排氣問題。模具中排氣片采用陣列排布，用φ4～φ6 mm的銷釘串聯定位和4～6個M4螺釘固定，排氣片組件兩端和中間區域的排氣片寬8 mm并設有M4螺釘孔。所有排氣片組合裝配在一起形成排氣片組件，排氣片組件底部中間設計寬8～10 mm、深0.5 mm的排氣連接槽，如圖4所示。

圖4 排氣片組件

排氣片寬4 mm，其排氣槽寬4～6 mm，深0.5 mm，間隙10～20 mm，排氣片封料處的排氣槽深0.02～0.05 mm，在排氣片的底部設計高5 mm的排氣連接槽，如圖5所示。

圖5 排氣鑲件

每個面的排氣槽都必須設計連接槽，再通過排氣孔連接到模具外，不能用零件的C角作為排氣槽，如圖6所示。

圖6 排氣槽

在排氣片的外周設計排氣鑲件，排氣片部件裝配緊固在排氣鑲件內，排氣片和排氣鑲件組合構成排氣組件，如圖7所示。在排氣鑲件內設計冷卻水道，此水道需單獨供水以保持模具恒溫，加快熔料的流速，減少熔接痕和排氣困難現象。為使現場工作人員快速清楚排氣孔的位置和作用，應在排氣孔附近刻上“清理排氣用”的標示，如圖8所示。

圖7 排氣組件

圖8 排氣標示

根據需求將排氣槽優化成易清潔結構，在生產過程中遇到排氣不良時能快速清理排氣槽，還可在不拆模具的情況下清理，可有效保證生產和提高模具的生產效率，如圖9所示。

圖9 排氣槽氣體流動

1.2 空調面板3D打印模具結構

新型3D打印方案采用3D打印技術制造多層仿生鋼，主要由基層、冷卻層、增壓層、角質層組成，如圖10所示。基層采用普通的738H模具鋼，也可使用P20、45鋼等。

圖10 仿生鋼截面

仿生鋼上設有緊固螺釘、進出水孔、進氣孔。冷卻層通過3D打印熔覆在基層上，冷卻層的主要作用是使模具內部的熱能通過蒸汽、水或油等介質進行交換，冷卻或加熱整個透氣裝置，進出水孔連接基層的隨形水道增加冷卻或加熱的范圍，充分冷卻或加熱透氣裝置，提高冷卻或加熱效率，實現透氣裝置的溫度調節，冷卻層進氣孔連接基層的進氣孔起到過渡作用。

增壓層可以將產生的微粒異物排出，避免透氣裝置堵塞，另外，增壓層上面連通角質層，下面連接基層和冷卻層，達到透氣效果。增壓層由多組氣道組成，一級氣道的作用是連通基層和冷卻層通入的氣體，也是增壓層的進氣孔；二級氣道串聯所有的三級氣道，使所有三級氣道同時通氣；三級氣道將微孔中存有的微粒傳送到異物排泄孔，防止氣孔堵塞。一級氣道的直徑大于二級氣道，二級氣道由2條氣道組成，每條二級氣道只有1個異物排泄口，其2條氣道之間的異物排泄口成斜對角布置，確保氣體從一級氣道進入二級氣道時2條氣道中的異物同時排出。2條二級氣道連接三級氣道的首尾，二級氣道橫向分布，三級氣道縱向分布，二級氣道和三級氣道之間成垂直分布，二級氣道的直徑大于三級氣道，三級氣道由多條氣道組成，如圖11所示。

圖11 氣道系統

角質層的厚度為2～3 mm，角質層上有尺寸漸變的微孔，微孔直徑根據成型塑件材質決定，注射成型材料的溢料值不同，微孔直徑也不同，一般為0.03～0.05 mm。角質層上表面接觸成型塑件，注射時氣體首先通過角質層，實現氣體交換效果。

冷卻系統由進出水口和3個級別的水道組成，如圖12所示。一級水道直接連接進出水口，一級水道直徑大，采用現有的深孔加工方式；二級水道為曲面隨形水道，直徑比一級水道直徑小，采用3D打印增材制造；三級水道為毛細水道，均勻分布在二級水道上，直徑比二級水道更小，也采用3D打印增材制造。三級水道更加貼近模具分型面，使模具充分冷卻，改善冷卻效果，解決面板局部顯示減薄區域表面鼓包或下塌不平等質量問題。

圖12 冷卻系統

仿生鋼結構和模板之間采用螺釘固定，間隙配合。為防止漏水，仿生鋼結構水道和模板之間需要采用密封圈密封，但氣道之間不需要采用密封圈。在模板中設計氣道和水道與仿生鋼結構中的氣道及水道相連通，保證連通后氣道及水道順暢。三級水道和三級氣道均勻間隔分布，一排三級水道相隔另一排三級氣道，如圖13所示。

圖13 仿生鋼結構

2 基于Moldflow仿真分析

首先對面板進行網格劃分及參數設置，采用雙層面網格類型，網絡單元采用三角形。曲面上的全局邊長為8 mm，該面板雙層面網絡共有94 033個，如圖14所示。

圖14 網格參數

現有排氣片結構的冷卻分析如圖15所示，面板減薄區域的表面溫度最高溫度為89.87℃，最低溫度為84.04℃。減薄區域的冷卻水為單獨連接供水，方便調節模具溫度及成型塑件溫度。多層仿生鋼結構冷卻分析如圖16所示，面板減薄區域表面溫度最高溫度為78.34℃，最低溫度為69.38℃。經過對比分析，多層仿生結構面板減薄區域表面最高溫度比現有排氣片結構面板低11.53℃，前者最低溫度比后者低14.66℃，故仿生結構面板冷卻時間更短，成型效率更高。

圖15 現有排氣片結構面板溫度分析

圖16 多層仿生鋼結構面板溫度分析

仿真分析模具溫度如圖17所示，排氣片結構冷卻的最高模具溫度為85.83℃，最低溫度為82.98℃。根據分析得出多層仿生結構減薄區域的最高模具溫度為73.08℃，降低12.75℃；最低溫度為67.96℃，降低15.02℃。

圖17 模具溫度對比

空調面板一般為長方形、曲面平板類塑件，重點分析面板透光顯示減薄區域的翹曲變形，變形仿真分析結果如圖18所示，排氣片冷卻結構顯示減薄區域總體翹曲變形量最大值為2.389 mm，最小值為0.869 8 mm；多層仿生鋼冷卻結構顯示減薄區域總體翹曲變形量最大值為1.703 mm，最小值為0.930 8 mm；翹曲變形主要發生在顯示減薄區域的邊緣。經過對比分析，排氣片冷卻結構面板顯示減薄區域翹曲變形量極差為1.519 2 mm，多層仿生鋼冷卻結構面板顯示減薄區域翹曲變形量極差為0.772 2 mm，減少了0.747 mm。

圖18 變形對比

綜上所述，面板減薄區域表面鼓包不平改善明顯，多層仿生結構面板表面變形量相對較小，面板尺寸改善明顯。空調面板實物如圖19所示，外觀質量得到顯著提升，通過試模和生產進一步驗證面板外觀效果滿足公司質量管理要求及客戶需求。

圖19 空調面板實物

3 結束語

綜上所述，無論是在現有模具結構的基礎上增加排氣槽，還是采用3D打印技術制造的仿生鋼，都可以解決大部分模具中氣體排放異常導致的缺陷問題。但相對于增加排氣片排氣方式，利用仿生鋼特有的物理屬性和獨有的結構功能在解決缺陷問題時，也解決了局部顯示減薄區域排氣組件鉗工現場組裝復雜、不便于安裝與維修的問題。由多個模具零件轉化為單一模具零件，不僅提高模具組裝效率，還便于運輸和生產，更提高了成型塑件外觀質量。通過實踐證明：新型3D打印方案可以滿足不同模具的生產需求，并在不同的模具品類上具有應用和推廣價值。