基于3D打印的隨形冷卻水路注塑模具設計

吳坤生

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以某機械頂蓋的塑料模具為研究對象，采用不同的冷卻方式，對頂蓋的凹凸模進行水路設計。通過模流軟件（Moldflow）分析了各種冷卻系統(tǒng)的溫度、壓力和時間。選擇冷卻效果最優(yōu)的冷卻方案，并根據(jù)最優(yōu)的方案進行凸模和凹模隨形冷卻系統(tǒng)的設計。通過3D打印中的選擇性激光燒結技術進行打印，最終完成凸模隨形冷卻系統(tǒng)的模具設計，應用到實際教學中，從而提高學生的認知以及模具制造技術專業(yè)性的拓展。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?注塑模具;隨形冷卻水路;3D打印;SLM;模具鑲件

[中圖分類號] ?TQ320.52 ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2021）39-0234-03

塑料模具的隨形冷卻和傳統(tǒng)冷卻方法有很大的不同，根據(jù)塑料制件的形狀進行冷卻路徑設計。這些隨形冷卻水路解決了傳統(tǒng)冷卻水路與模具凹凸模表面之間的距離，而且冷卻效率得到了明顯提高。近年來，3D打印技術的逐步成長，隨形冷卻方式將成為注射模具冷卻系統(tǒng)中新的方向和領域。目前，選擇性激光燒結（SLM）和選擇性激光熔結（SLS）是廣泛應用于隨形冷卻模具的制造。通過SLM打印的制件在后面階段不需要高溫燒結和滲銅，工藝簡單，制件可以達到普通金屬99.5%的相對密度，并可以進行任意加工。因此，我們的研究重點應該放在塑料模具成型零件的冷卻系統(tǒng)設計和制造上。

一、隨形冷卻擺脫傳統(tǒng)方式的制約

隨形冷卻的原理是利用水路跟隨制件外形進行布置，從而快速降低溫度。溫度的高低影響注射成型零件的注射周期，水路分布的合理性關系注射成型零件是否產生扭曲和縮痕。相對傳統(tǒng)水路來說，受到加工局限性和產品形狀以及模具頂出桿件的限制，冷卻水路與模具表面相隔較遠，導致冷卻效率較低。不僅這樣，還必須面對進一步的處理和組裝，以及被阻塞的危險。此外，在復雜的情況下，必須將模具切割成多個部分，鑲嵌到整個模具上，這些鑲件會增加額外的成本，同時還會對模具的壽命有影響。

二、3D打印制造

通過3D打印技術，人們可以消除交叉鉆孔限制。此外，比較理想的冷卻設計應選擇隨形冷卻水路，它能在正常速度下均勻釋放熱量。3D打印模具成型零件的水路通常采用SLM和SLS，SLS和SLM過程基本是一樣的，區(qū)別在于SLM是SLS的一種延伸，SLS中的高分子聚合物作為黏合劑被SLM金屬粉末代替，SLS技術中需要滲透而SLM直接形成多孔性低的成品。

三、3D打印對注塑產品帶來的附加值

用3D打印具有隨形冷卻的注射模具，最高可達到注射模具70%的加工效率。在圖3例子中，頂蓋的凸模鑲件是通過3D打印方法得到的，注射成型時間從20秒縮短到8秒，開模打制件的生產速度也得到翻倍。

3D打印隨形冷卻模具的其他主要優(yōu)點是，可以成型更均勻的制件，避免制件因冷卻不均勻而導致的縮凹痕跡等缺陷。除此之外，更多的優(yōu)點還在于3D打印會避免鉆孔難以及鉆孔后孔與孔之間的連接，因此比傳統(tǒng)方法節(jié)省了很多時間。

四、塑件模型分析

圖1顯示了頂蓋零件簡圖。半徑為65毫米，寬度為50毫米，高度為12毫米，壁厚為2毫米，厚薄均勻，側面有一個滑塊側抽芯孔位，脫模角度為1度。其材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），并且塑料部件質量要求不允許出現(xiàn)裂紋和翹曲變形等。

頂蓋的構造相對比較簡單，總體積不大，制件側面有一個孔位，因產品采用側向抽芯，通常在凹模和凸模底部安裝冷卻水路，但無法從本質上解決緩慢冷卻所產生的一系列問題。溫度較高的區(qū)域容易在中間部分附近產生，從而導致翹曲變形。為了使冷卻效果更好，采用了隨形冷卻方法。因制件尺寸不大，凸模鑲塊空間布置水路相對比較狹窄，在凸模中安裝了隨形冷卻水路，凹模采用傳統(tǒng)冷卻水路與其相配合，達到效果最佳狀態(tài)。

五、冷卻系統(tǒng)設計及模擬分析

（一）冷卻水路的設計

增材制造技術打印冷卻水路的橫截面形狀有很多，比較常見的有U型、圓形和橢圓形。這次設計采用圓形，帶有圓形水路適用于SLM打印。頂蓋模具的水路在凹模和凸模兩部分都有。傳統(tǒng)和隨形冷卻系統(tǒng)兩種方案布置如下：

1.凹模的冷卻方案

如圖2所示，有3種冷卻方法：方法1，傳統(tǒng)冷卻水路直徑為8毫米，管道有水入口和水出口，相鄰兩水路之間鉆通孔連接，側面用堵塞堵住，如圖2（a）所示。方法2，傳統(tǒng)冷卻水路直徑為8毫米，直接鉆通模板和凹模鑲件，在外側用軟管連接，如圖2（b）所示。方法3，隨形冷卻水路路徑的直徑為4毫米，水路要避開凹模所有桿件，路徑如圖2（c）所示。

2.凸模的冷卻方案

隨形和傳統(tǒng)的兩種冷卻的方法如圖3（a）和3（b）所示。在傳統(tǒng)水路中，冷卻水路路徑的直徑為8毫米，冷卻水路的布置為直線型，圖3（a）采用循環(huán)連接處用堵塞堵住，圖3（b）的水路連接采用軟管連接。冷卻水路直徑為4毫米方案采用隨形冷卻如圖3（c），另外在設計冷卻水路時避開頂針的位置。

（二）冷卻分析

在上述隨形和傳統(tǒng)兩種方案中，Moldflow用于冷卻實驗的模擬分析。在實驗中使用的參數(shù)設置為開始和關閉時間5s、壓力維護8s、熔體溫度220°C、冷卻水溫25°C。方式有兩種，用“凹模冷卻方法+凸模冷卻方法”，這些分析網格模型位于圖4（示例中），塑料制件的三維網格模型如圖4（a）、水路如圖4（b）和凸模3D網格數(shù)模如圖4（c），凹模3D數(shù)模網格如圖4（d）。