基于SLS工藝的隨形水路熱流道運(yùn)水套制造技術(shù)研究

王凌飛

摘要：熱流道注塑模的運(yùn)水套零件對(duì)于注塑的質(zhì)量與效率影響很大，傳統(tǒng)加工手段只能在外圍構(gòu)建形狀簡(jiǎn)單的冷卻水路系統(tǒng)，冷卻效果較差。使用SLS快速成型技術(shù)可以加工出具有內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨形水路運(yùn)水套零件，通過模型準(zhǔn)備、數(shù)模預(yù)處理、打印成型與制件后處理全流程的生產(chǎn)實(shí)踐，以及模流仿真與分析，獲得了切實(shí)可行的隨形水路運(yùn)水套的快速成型制造方案，驗(yàn)證了該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：快速成型；選擇性激光燒結(jié)；隨形水路；注塑模；運(yùn)水套

1 引言

在注塑生產(chǎn)中，熱流道技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主流道、分流道和澆口進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臏囟瓤刂疲沟脻沧⑾到y(tǒng)中的塑料一直保持在熔融狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)約材料以及實(shí)現(xiàn)連續(xù)注塑的效果。熱流道系統(tǒng)通常由熱流道板、溫度控制器、噴嘴等部分構(gòu)成，在一些熱流道進(jìn)膠的模具中需要設(shè)計(jì)專門的運(yùn)水套，一方面可以保護(hù)置于其中的熱流道噴嘴，另一方面也可以據(jù)此設(shè)計(jì)冷卻水路，從而確保澆口處的冷卻效果[1]。

由于熱流道系統(tǒng)始終保持高溫，所以塑件在靠近澆口處的熱聚集效應(yīng)比較明顯，從而影響冷卻速度與均勻性，使得塑件生產(chǎn)的周期變長(zhǎng)、質(zhì)量變差。針對(duì)這一問題，傳統(tǒng)的做法是在運(yùn)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(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）快速成型技術(shù)可成形金屬制品，使用SLS技術(shù)加工運(yùn)水套可以擺脫常規(guī)加工手段的諸多限制，從而制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、更貼近噴嘴端面的隨形水路運(yùn)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(yùn)水套的過程以及分析其冷卻效果，研究采用的技術(shù)路線如圖2所示。

3 運(yùn)水套零件加工

3.1 運(yùn)水套結(jié)構(gòu)分析

某品牌化妝品瓶蓋熱流道模具中的隨形水路運(yùn)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(chǎn)品的材質(zhì)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(diǎn)、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(nèi)部設(shè)置隨形水路冷卻的運(yùn)水套。如圖3所示，運(yùn)水套的下端面密布了冷卻水路，以保證產(chǎn)品上表面的冷卻效率，從而改善產(chǎn)品的表面質(zhì)量以及縮短成型周期。

3.2 模型數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）導(dǎo)出模型數(shù)據(jù)

完成運(yùn)水套三維建模后，將模型導(dǎo)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(dǎo)出時(shí)，可通過改變?cè)O(shè)置三角公差與相鄰公差的值來控制STL數(shù)模精度，根據(jù)SLS金屬成型的特性，將三角公差與相鄰公差值設(shè)置為0.02，以滿足成型件精度。

（2）修復(fù)與切片

采用Materialise Magics軟件對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。先對(duì)模型進(jìn)行診斷，由于在轉(zhuǎn)換或是利用光學(xué)掃描等手段獲取STL格式文件時(shí)可能會(huì)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(dǎo)致后續(xù)打印無(wú)法進(jìn)行，故而先檢查、修復(fù)模型，確保模型無(wú)上述各類問題。

確認(rèn)模型無(wú)誤后加載機(jī)器平臺(tái)，選擇EOS Eosint M280型號(hào)機(jī)器平臺(tái)。調(diào)整零件擺放位置和方向，零件擺放時(shí)選擇可以減少支撐結(jié)構(gòu)的朝向，以節(jié)約材料；由于一次打印多個(gè)零件，采用交錯(cuò)排布，避免刮刀重復(fù)集中磨損，以保護(hù)設(shè)備并提升制件質(zhì)量。使用Magics軟件進(jìn)行切片，設(shè)置切片參數(shù)，如圖4所示，將切片厚度設(shè)置為0.04 mm，切片格式選擇EOS設(shè)備能夠讀取的CLI文件格式。

3.3 快速成型加工

（1）粉料準(zhǔn)備

根據(jù)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(shí)是將材料粉末鋪開并刮平，用高強(qiáng)度的CO2激光器在粉層上掃描燒結(jié)出零件截面，得到零件層面。將18Ni300模粉置入設(shè)備成型倉(cāng)時(shí)，使用0.08 mm篩網(wǎng)進(jìn)行過濾，確保倉(cāng)內(nèi)燒結(jié)粉末的顆粒直徑均<0.08 mm。因?yàn)樵诜勰┭h(huán)使用的過程中，靠近燒結(jié)區(qū)的粉末雖未被整體燒結(jié)為制件，但由于靠近高溫區(qū)域，也會(huì)產(chǎn)生熔合長(zhǎng)大的情況，而這些顆粒度大的粉末如果再次燒結(jié)成型為制件，則會(huì)顯著降低成型件的致密度與質(zhì)量。

快速成型制件的分層厚度對(duì)制件品質(zhì)以及生產(chǎn)效率影響巨大。隨形水路運(yùn)水套制件使用0.04 mm的切片厚度，可以兼顧內(nèi)部冷卻流道精度和加工生產(chǎn)效率。相應(yīng)的，在設(shè)備準(zhǔn)備階段也要校核并調(diào)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(huì)導(dǎo)致制件成型層厚不合理，嚴(yán)重的話甚至可能導(dǎo)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(diào)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(huán)境準(zhǔn)備

在啟動(dòng)激光燒結(jié)前，關(guān)閉工作區(qū)域艙門并填充氮?dú)狻５獨(dú)庾鳛槎栊员Ｗo(hù)性氣體，在激光燒結(jié)成型中，對(duì)于成型質(zhì)量起到非常重要的影響。成型倉(cāng)充滿氮?dú)夂螅鯕夂繕O低，可以有效防止燒結(jié)部位暴露氧化；同時(shí)氮?dú)饪梢暂^好地減小等離子體云的形成，并將激光對(duì)熔池持續(xù)輻射而在熔池上部產(chǎn)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(shù)小時(shí)，使得內(nèi)部氮?dú)夂窟_(dá)到99.6%以上，可以正常工作。

（3）設(shè)置打印參數(shù)

完成各項(xiàng)打印準(zhǔn)備后即可導(dǎo)入CLI格式切片文件，制件本體為一個(gè)文件，其余支撐結(jié)構(gòu)為一個(gè)或多個(gè)文件。EOS Eosint M280設(shè)備預(yù)制了多個(gè)工藝參數(shù)包，不同包中設(shè)置不同激光占空比值、燒結(jié)進(jìn)給速度等工藝參數(shù)，選擇不同的工藝參數(shù)會(huì)得到力學(xué)性能完全不同的制件。對(duì)于運(yùn)水套本體，需要重點(diǎn)保證其使用的強(qiáng)度與硬度要求，選擇“EOS_DirectTool”參數(shù)包；對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)，考慮兼顧支撐性以及去除方便，選擇“Default_ExternalSupport”參數(shù)包。

如圖6所示，將各部分結(jié)構(gòu)設(shè)置合理的燒結(jié)參數(shù)，并確認(rèn)制件層厚、起始與終止高度，即完成了打印相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)定。

（4）打印成型

為保證加工質(zhì)量，確認(rèn)設(shè)備完好，加工倉(cāng)溫度為150 ℃，先執(zhí)行預(yù)鋪粉與預(yù)熱動(dòng)作，隨后啟動(dòng)打印。在開始制作零件直至制作結(jié)束的過程中，定時(shí)檢查制作情況，確認(rèn)是否產(chǎn)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(cāng)溫度下降到80 ℃以下，將粉倉(cāng)平面下移30～40 mm，打開艙門，用吸塵器清除粉倉(cāng)周圍多余粉末，關(guān)閉艙門，將平臺(tái)移至底部，取出托盤及零件繼續(xù)散熱降溫，待零件溫度低于60 ℃即可取下制件。通過敲打震動(dòng)、氣吹等手段先將冷卻流道內(nèi)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(shù)成型金屬零件時(shí)，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(shí)間內(nèi)恢復(fù)到100 ℃左右，材料組織經(jīng)歷了由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，類似于經(jīng)歷了一次“淬火”過程，此時(shí)制件力學(xué)性能偏脆硬并且存在內(nèi)應(yīng)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(jīng)高溫回火后的制件得到“鐵素體+細(xì)粒狀滲碳體”混合物，具備更為優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

（2）表面拋光

調(diào)質(zhì)后制件表面呈現(xiàn)黑紫色，覆蓋了一層氧化皮。使用噴砂機(jī)，采用石榴砂對(duì)運(yùn)水套進(jìn)行噴砂拋光，通過石榴砂磨料對(duì)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(chǎn)生了明顯的“由黑轉(zhuǎn)白”的改變。

4 冷卻效果分析

4.1 工藝條件設(shè)置

使用Moldflow軟件對(duì)注塑過程及其冷卻效果進(jìn)行模擬分析。設(shè)置傳統(tǒng)水路與隨形水路兩種冷卻方案進(jìn)行對(duì)比[3]。在熱流道模具中，傳統(tǒng)冷卻水路的設(shè)計(jì)方案如圖8a所示，在動(dòng)模側(cè)使用隔水板對(duì)型芯進(jìn)行冷卻，而在定模側(cè)則圍繞熱流道注嘴設(shè)置環(huán)形水路；而采用隨形水路運(yùn)水套的冷卻方案如圖8b所示，在原有水路的基礎(chǔ)上，增加運(yùn)水套內(nèi)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(jù)產(chǎn)品成型要求及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)置的注塑成型工藝參數(shù)見表1。

4.2 冷卻模擬結(jié)果分析

如圖9所示，分別為2種冷卻方案中的產(chǎn)品頂出時(shí)的表面溫度分布。傳統(tǒng)水路方案中產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品的收縮穩(wěn)定性，減小翹曲變形并提升塑件表面質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過模型準(zhǔn)備、數(shù)模預(yù)處理、打印成型與制件后處理，加工出了結(jié)構(gòu)精細(xì)、力學(xué)性能優(yōu)秀的隨形水路運(yùn)水套，

而通過模流分析仿真模擬也進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的有效性。通過實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1）基于SLS粉末燒結(jié)技術(shù)可以成型出具備內(nèi)部復(fù)雜隨形水路結(jié)構(gòu)的熱流道運(yùn)水套零件。在模型數(shù)據(jù)處理階段要對(duì)所導(dǎo)出的STL文件進(jìn)行檢測(cè)與修復(fù)，確保沒有問題后進(jìn)行分層切片；快速成型加工前需要完成篩粉、調(diào)試工作臺(tái)和填充氮?dú)獾葴?zhǔn)備工作，分別為零件本體與支撐部分選擇合適的打印參數(shù)后進(jìn)行打印加工；完成打印后還需對(duì)制件進(jìn)行熱處理與表面拋光。

2）模流分析的結(jié)果表明，與傳統(tǒng)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(chǎn)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可以集中排布水路，從而大大改善該區(qū)域的溫度分布情況，減小翹曲變形并提升塑件表面質(zhì)量。

3）基于SLS快速成形的隨形水路運(yùn)水套，其內(nèi)部管路不再是圓截面直線管道，而是三維空間內(nèi)的隨形管路，冷卻效果更為良好，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)水路系統(tǒng)以及配套復(fù)雜蒸汽輔助快速熱冷輔助設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1] 王旭，朱傳林，侯景杰，等.熱流道技術(shù)在塑膠注塑模具中的應(yīng)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(shù)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)[J].中國(guó)塑料，2020，34 （2）：85-89.