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的溫度、壓力和時間。選擇冷卻效果最優的冷卻方案，并根據最優的方案進行凸模和凹模隨形冷卻系統的設計。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冷卻方法有很大的不同，根據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設計和制造上。

一、隨形冷卻擺脫傳統方式的制約

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，因此比傳統方法節省了很多時間。

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，凹模采用傳統冷卻水路與其相配合，達到效果最佳狀態。

五、冷卻系統設計及模擬分析

（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。傳統和隨形冷卻系統兩種方案布置如下：

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

隨形和傳統的兩種冷卻的方法如圖3（a）和3（b）所示。在傳統水路中，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網格數模如圖4（c），凹模3D數模網格如圖4（d）。