基于SLS工藝的隨形水路熱流道運水套制造技術研究

王凌飛

摘要：熱流道注塑模的運水套零件對于注塑的質量與效率影響很大，傳統加工手段只能在外圍構建形狀簡單的冷卻水路系統，冷卻效果較差。使用SLS快速成型技術可以加工出具有內部復雜結構的隨形水路運水套零件，通過模型準備、數模預處理、打印成型與制件后處理全流程的生產實踐，以及模流仿真與分析，獲得了切實可行的隨形水路運水套的快速成型制造方案，驗證了該技術在實際生產中的應用價值。

關鍵詞：快速成型；選擇性激光燒結；隨形水路；注塑模；運水套

1 引言

在注塑生產中，熱流道技術可以實現對主流道、分流道和澆口進行恰當的溫度控制，使得澆注系統中的塑料一直保持在熔融狀態，從而達到節約材料以及實現連續注塑的效果。熱流道系統通常由熱流道板、溫度控制器、噴嘴等部分構成，在一些熱流道進膠的模具中需要設計專門的運水套，一方面可以保護置于其中的熱流道噴嘴，另一方面也可以據此設計冷卻水路，從而確保澆口處的冷卻效果[1]。

由于熱流道系統始終保持高溫，所以塑件在靠近澆口處的熱聚集效應比較明顯，從而影響冷卻速度與均勻性，使得塑件生產的周期變長、質量變差。針對這一問題，傳統的做法是在運水套的外圈加工水槽，裝配后形成冷卻水路，如圖1所示，但這一做法往往仍然難以保證良好的冷卻效果。

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）快速成型技術可成形金屬制品，使用SLS技術加工運水套可以擺脫常規加工手段的諸多限制，從而制造內部結構復雜、更貼近噴嘴端面的隨形水路運水套，具備更好的冷卻效果[2]。

2 研究步驟

本文旨在研究SLS工藝加工隨形水路運水套的過程以及分析其冷卻效果，研究采用的技術路線如圖2所示。

3 運水套零件加工

3.1 運水套結構分析

某品牌化妝品瓶蓋熱流道模具中的隨形水路運水套如圖3所示，中間空腔處用以安裝針閥式熱流道。塑件產品的材質為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），塑件外觀要求高，外表面不允許有斑點、收縮凹陷、熔接痕和飛邊等缺陷。由于塑件上表面靠近熱流道噴嘴，為確保冷卻效果，使用內部設置隨形水路冷卻的運水套。如圖3所示，運水套的下端面密布了冷卻水路，以保證產品上表面的冷卻效率，從而改善產品的表面質量以及縮短成型周期。

3.2 模型數據預處理

（1）導出模型數據

完成運水套三維建模后，將模型導出為STL格式文件。STL格式是目前主流的快速成型通用格式。文件導出時，可通過改變設置三角公差與相鄰公差的值來控制STL數模精度，根據SLS金屬成型的特性，將三角公差與相鄰公差值設置為0.02，以滿足成型件精度。

（2）修復與切片

采用Materialise Magics軟件對模型數據進行預處理。先對模型進行診斷，由于在轉換或是利用光學掃描等手段獲取STL格式文件時可能會存在反向三角面片、孔洞和干擾面片等未知問題，而這些問題可能導致后續打印無法進行，故而先檢查、修復模型，確保模型無上述各類問題。

確認模型無誤后加載機器平臺，選擇EOS Eosint M280型號機器平臺。調整零件擺放位置和方向，零件擺放時選擇可以減少支撐結構的朝向，以節約材料；由于一次打印多個零件，采用交錯排布，避免刮刀重復集中磨損，以保護設備并提升制件質量。使用Magics軟件進行切片，設置切片參數，如圖4所示，將切片厚度設置為0.04 mm，切片格式選擇EOS設備能夠讀取的CLI文件格式。

3.3 快速成型加工

（1）粉料準備

根據模具使用要求以及SLS成型工藝要求，選擇18Ni300模具鋼金屬粉末作為原料。SLS工藝成型時是將材料粉末鋪開并刮平，用高強度的CO2激光器在粉層上掃描燒結出零件截面，得到零件層面。將18Ni300模粉置入設備成型倉時，使用0.08 mm篩網進行過濾，確保倉內燒結粉末的顆粒直徑均<0.08 mm。因為在粉末循環使用的過程中，靠近燒結區的粉末雖未被整體燒結為制件，但由于靠近高溫區域，也會產生熔合長大的情況，而這些顆粒度大的粉末如果再次燒結成型為制件，則會顯著降低成型件的致密度與質量。

快速成型制件的分層厚度對制件品質以及生產效率影響巨大。隨形水路運水套制件使用0.04 mm的切片厚度，可以兼顧內部冷卻流道精度和加工生產效率。相應的，在設備準備階段也要校核并調整托盤水平度以及刮刀間隙。托盤不水平、刮刀間隙不均勻以及不合理會導致制件成型層厚不合理，嚴重的話甚至可能導致刮刀刮倒成型件。如圖5所示，在開始加工前，通過百分表打表校核與調整，確保托盤平面度誤差<0.02 mm，刮刀間隙均勻，值為0.05 mm。

（2）打印環境準備

在啟動激光燒結前，關閉工作區域艙門并填充氮氣。氮氣作為惰性保護性氣體，在激光燒結成型中，對于成型質量起到非常重要的影響。成型倉充滿氮氣后，氧氣含量極低，可以有效防止燒結部位暴露氧化；同時氮氣可以較好地減小等離子體云的形成，并將激光對熔池持續輻射而在熔池上部產生的等離子云吹散，使得成型均勻美觀。打印前，密閉成型艙門數小時，使得內部氮氣含量達到99.6%以上，可以正常工作。

（3）設置打印參數

完成各項打印準備后即可導入CLI格式切片文件，制件本體為一個文件，其余支撐結構為一個或多個文件。EOS Eosint M280設備預制了多個工藝參數包，不同包中設置不同激光占空比值、燒結進給速度等工藝參數，選擇不同的工藝參數會得到力學性能完全不同的制件。對于運水套本體，需要重點保證其使用的強度與硬度要求，選擇“EOS_DirectTool”參數包；對于支撐結構，考慮兼顧支撐性以及去除方便，選擇“Default_ExternalSupport”參數包。

如圖6所示，將各部分結構設置合理的燒結參數，并確認制件層厚、起始與終止高度，即完成了打印相關工藝參數的設定。

（4）打印成型

為保證加工質量，確認設備完好，加工倉溫度為150 ℃，先執行預鋪粉與預熱動作，隨后啟動打印。在開始制作零件直至制作結束的過程中，定時檢查制作情況，確認是否產生零件翹曲以及刮板撞到零件等問題。

零件制作完成后，等待成型倉溫度下降到80 ℃以下，將粉倉平面下移30～40 mm，打開艙門，用吸塵器清除粉倉周圍多余粉末，關閉艙門，將平臺移至底部，取出托盤及零件繼續散熱降溫，待零件溫度低于60 ℃即可取下制件。通過敲打震動、氣吹等手段先將冷卻流道內的金屬粉末清理干凈，最后使用線切割取下制件。

3.4 制件后處理

（1）熱處理

SLS技術成型金屬零件時，激光將制件瞬間加熱至1 000 ℃以上高溫，之后又在高速氣流作用下于極短時間內恢復到100 ℃左右，材料組織經歷了由奧氏體向馬氏體的轉變，類似于經歷了一次“淬火”過程，此時制件力學性能偏脆硬并且存在內應力。如圖7所示，將制件取下后放入電爐，在490 ℃溫度下保溫6 h，之后隨爐冷卻。經高溫回火后的制件得到“鐵素體+細粒狀滲碳體”混合物，具備更為優良的綜合力學性能。

（2）表面拋光

調質后制件表面呈現黑紫色，覆蓋了一層氧化皮。使用噴砂機，采用石榴砂對運水套進行噴砂拋光，通過石榴砂磨料對工件表面的沖擊和切削作用，使工件的表面獲得更好的清潔度和一定的光潔度。如圖7所示，噴砂使制件表面的色澤產生了明顯的“由黑轉白”的改變。

4 冷卻效果分析

4.1 工藝條件設置

使用Moldflow軟件對注塑過程及其冷卻效果進行模擬分析。設置傳統水路與隨形水路兩種冷卻方案進行對比[3]。在熱流道模具中，傳統冷卻水路的設計方案如圖8a所示，在動模側使用隔水板對型芯進行冷卻，而在定模側則圍繞熱流道注嘴設置環形水路；而采用隨形水路運水套的冷卻方案如圖8b所示，在原有水路的基礎上，增加運水套內部異性水路，尤其在靠近澆口的塑件上表面附近排布密集的水路。

根據產品成型要求及實際生產經驗，本文設置的注塑成型工藝參數見表1。

4.2 冷卻模擬結果分析

如圖9所示，分別為2種冷卻方案中的產品頂出時的表面溫度分布。傳統水路方案中產品表面溫度范圍為30.74 ℃～33.80 ℃，溫差3.06 ℃；隨形水路冷卻方案中產品表面溫度范圍為29.73 ℃～32.61 ℃，溫差2.88 ℃。相比之下，使用隨形水路方案冷卻效果更好，產品整體溫度較低且溫差也比較小。而從溫度分布均勻性的角度來看，從兩者的色溫圖上明顯可以看出，采用隨形水路方案大大改善了塑件上表面的溫度分布情況，這也有助于提升產品的收縮穩定性，減小翹曲變形并提升塑件表面質量。

5 結束語

經過模型準備、數模預處理、打印成型與制件后處理，加工出了結構精細、力學性能優秀的隨形水路運水套，

而通過模流分析仿真模擬也進一步驗證了該結構的有效性。通過實驗研究，得到以下結論：

1）基于SLS粉末燒結技術可以成型出具備內部復雜隨形水路結構的熱流道運水套零件。在模型數據處理階段要對所導出的STL文件進行檢測與修復，確保沒有問題后進行分層切片；快速成型加工前需要完成篩粉、調試工作臺和填充氮氣等準備工作，分別為零件本體與支撐部分選擇合適的打印參數后進行打印加工；完成打印后還需對制件進行熱處理與表面拋光。

2）模流分析的結果表明，與傳統冷卻方案相比，采用隨形水路冷卻可以增加冷卻效率與均勻性。產品整體溫度更低且溫差更小，尤其是在原本最接近熱流道噴嘴的高溫風險區域可以集中排布水路，從而大大改善該區域的溫度分布情況，減小翹曲變形并提升塑件表面質量。

3）基于SLS快速成形的隨形水路運水套，其內部管路不再是圓截面直線管道，而是三維空間內的隨形管路，冷卻效果更為良好，有望代替傳統水路系統以及配套復雜蒸汽輔助快速熱冷輔助設備。

參考文獻

[1] 王旭，朱傳林，侯景杰，等.熱流道技術在塑膠注塑模具中的應用[J].河南科技，2019（35）：65-67.

[2] 鄭建平.基于SLS快速成形方法的注塑模具隨形冷卻水道制造技術的研究[J].機械設計與制造，2010 （11）：231-232.

[3] 厲邵，王小新，董志家，等.基于3D打印的儀表罩殼注塑模具隨形冷卻水路設計[J].中國塑料，2020，34 （2）：85-89.