汽車多功能旋鈕注塑模具3D打印隨形水路設計

張維合 馮國樹 宋東陽 杜海 王靖 魏海濤

(1.廣東科技學院，廣東 東莞，523000；2.廣東華睿智連電子科技有限公司，廣東 東莞，523777)

3D打印是一種綠色環保的數據驅動化增材制造技術，3D打印在模具領域的應用具有重大意義。由于鉆削工藝和成型塑件形狀的限制，傳統的注塑模具冷卻水路很難做到均勻冷卻和快速冷卻。基于3D打印的隨形水路是一種新型模具冷卻水路，其截面形狀和分布能夠更貼近模具型腔表面，達到更好的熱傳導作用，有效均衡模具溫度和提高制品質量[1]。下面通過汽車多功能旋鈕(以下簡稱旋鈕)注塑模具隨形水路溫度控制系統的設計，介紹了3D打印隨形水路設計的要點和技巧。

1 汽車旋鈕結構分析

圖1為豐田汽車旋鈕和裝配示意。

原材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)(PA-777B，臺灣奇美實業股份有限公司)，具有優異的耐熱性和高抗沖擊性能。塑件尺寸小但內部結構復雜，尺寸精度不低于MT3(GB/T 14486—2008)，要求很高，成型零件中冷卻水道的設計是難點和重點。

2 傳統旋鈕注塑模具冷卻水道

由于常規鉆削加工工藝的限制，傳統冷卻水路只能為圓柱形直孔，無法完全貼近模具型腔表面，冷卻效率低且冷卻不均衡，導致注塑周期長、成型制品變形量大。

為了提高冷卻效率，汽車旋鈕注塑模具溫度控制系統通常采用如下方案(如圖2所示)：a) 采用強化的冷卻水路設計方案，增加模具零件中冷卻回路的密集程度或覆蓋率；b)采用導熱性能良好的鈹銅(Be-Cu)鑲件替代冷卻水路[2]。

強化冷卻水路設計方案對模具零件形狀和模具零件重點區域的尺寸都有要求，如果模具零件太小，會影響冷卻水路的尺寸和模具裝配。汽車多功能旋鈕零件形狀奇特，利用常規的直通式等截面冷卻水路無論是形態、尺寸還是位置均無法達到滿意的冷卻效果。Be-Cu鑲件剛性和強度無法和優良的模具鋼媲美，會影響模具壽命，其冷卻效果也有限。

由于溫度控制系統無法做到均衡冷卻和快速冷卻，成型零件溫差高達20 ℃左右，塑件脫模后有明顯變形，尺寸精度只能達到MT5(GB/T 14486—2008)，注塑周期最短為25 s，生產效率低。

3 汽車旋鈕注塑模具3D打印隨形水路

為了提高汽車旋鈕的尺寸精度和模具的生產效率，采用了基于3D打印的隨形水路技術，即模具的成型零件采用3D打印。由于其內部水路截面和流向幾乎不受任何加工工藝限制，故水路分布可以更貼近成型制品表面，達到更好的熱傳導效果，實現均衡模具溫度和提高制品精度的目的。3D打印的隨形水路如圖3所示，定模鑲件隨形水路直徑為4 mm，沿型腔表面布置，動模型芯則采用4 mm×2 mm橢圓截面隨形水路，沿型芯表面布置[3]。

采用3D打印隨形水路后，汽車旋鈕注塑模成型周期由25 s降至13 s；模具鑲件溫差由20 ℃降至5 ℃。說明3D打印隨形水路具有良好的冷卻效果。成型塑件變形量由0.35 mm減至0.10 mm，尺寸精度達到了MT3。

優異的冷卻效果顯著減少了剪切熱效應，可以一模生產更多塑件而不會變形。為了保證成型塑件質量，傳統汽車旋鈕注塑模具僅能實現一模四腔，繼續增加型腔數量會因冷卻不良等問題導致制品嚴重變形。采用3D打印隨形水路后，可以增至一模十六腔，而且注塑周期大幅縮短，其綜合產能可提高約5倍以上。同時，汽車旋鈕注塑模3D打印隨形水路的成功應用為今后設計其他精密塑件注塑模具提供了經驗。

4 汽車旋鈕注塑模具3D打印隨形水路設計要點

3D打印隨形水路設計很重要，關乎制得的注塑模具質量高低。要點如下：

a) 水路與型腔之間的距離

冷卻水路與模具型腔表面的距離沒有一個確定的數值。對于大多數隨形冷卻水路來說，與模具型腔表面的距離取決于零件的大小和幾何形狀。一個需要遵守的原則是：隨形水路與模具型腔表面始終保持相同的距離，達到均勻冷卻的效果。

為了兼顧冷卻效果和模具的強度及使用壽命，汽車旋鈕注塑模具3D打印隨形水路水孔與型腔和型芯表面距離(M和N)約為3 mm，距內部頂針孔或螺孔約為2 mm[4]，如圖4所示。

b) 截面的設計

傳統的冷卻水路受機械加工工藝限制，一般設計成圓形截面。3D打印隨形水路截面則不受限制，可以根據型腔和型芯形狀設計成圓形、橢圓形、長圓形、U字形等。不同的橫截面形狀對模具強度的影響不同，橫截面形狀越接近圓形的水路，對成型零件的強度影響越小，采用圓弧形水路的鑲件強度大于采用橢圓形或方形的鑲件；長方形截面水路的長邊側對鑲件強度影響要大于寬邊側。為保證模具的壽命，鑲件水路長邊側的厚度(B)要大于寬邊側厚度(A)[5]，如圖5所示。

需要注意的是，在設計3D打印隨形冷卻水路時，應盡量保持水路的橫截面積不變，保證冷卻介質流速大致恒定不變。有的隨形冷卻水路按照毛細管的思路設計，即一條大的冷卻水路被分為多條小而短的水路，然后再匯入一條大的水路。這時，多條小水路的橫截面積總和應大致等于大水路入口和出口的橫截面積，從而確保各處冷卻水的流速和阻力大致相等，降低成型塑件翹曲變形的風險。

c) 避免出現死水區域

模具冷卻水路中的水量影響模具冷卻時間的長短，水量越大，冷卻時間越短。另一個影響因素是冷卻水的流動狀態：湍流有利于熱量傳出，層流則不利于熱量傳出。3D打印隨形冷卻水路的內表面沒有經過拋光，容易產生湍流，而且在設計隨形水路時再多增加拐彎結構，雷諾系數更大，可以產生更多湍流，冷卻效果更好；但應避免直角或過急拐彎，因為直角或過急拐彎處會產生死水區域，如圖6所示。

d) 長度設計

受限于鉆頭的長度、加工工藝和冷卻效果，傳統的水路長度不宜太長，冷卻水路越短，冷卻效果越好。利用3D打印技術制造隨形冷卻水路，雖然不受鉆頭和加工工藝等影響，但是在設計時仍要控制隨形水路的長度，使冷卻水迅速進出，并控制冷卻水出入口的溫差為2～3 ℃，保證模具各處溫度更均勻[6]。

汽車旋鈕注塑模具隨形水路形狀復雜，彎曲環繞的水路清理困難，易堵塞，因此，使用3D打印隨形水路時要注意保養，防患于未然，避免水路堵塞。如果直接使用工廠水塔里的冷卻水，堵塞風險較高，必須使用3D打印隨形水路專用模溫機，模溫機外掛水箱閉路循環。如果水路堵塞，使用隨形水路專用清洗設備進行清洗，如果使用鐵棒疏通，極易導致型腔表面變形而損壞模具。

5 汽車旋鈕注塑模具3D打印鑲件材料選用

汽車旋鈕注塑模隨形水路由選區激光熔化并采用立體光固化成型技術(SLADLP)3D打印獲得，模具鑲件材料采用1.2709模具鋼(又稱MS1)。1.2709模具鋼是馬氏體時效鋼，主要優點有：a) 熱處理變形小；b) 加工性能及焊接性能好；c) 熱處理工藝簡單方便，固熔后先進行機械加工再進行時效處理。表1為1.2709模具鋼與一般模具鋼(1.2311和1.2738)的主要力學性能。由表1可以看出，1.2709金屬粉末經3D打印成型熱處理后，其各項性能與模具鋼相當。

表1 模具鑲件材料的力學性能

6 隨形水路對模具壽命的影響

與傳統水路相比，隨形水路具有明顯的優勢，但以下2點會降低模具壽命：a) 復雜的水路會降低零件的剛性；b) 冷卻水中沉積物和鐵銹在形狀復雜的冷卻通道中容易積聚，嚴重時會導致水路開裂漏水[7-11]。比如：以1.2709模具鋼為原料，通過3D打印制造的型芯，在生產了40萬個塑件之后，由于冷卻通道腐蝕，會破裂漏水。解決的辦法有：a) 設計時加大尺寸，提高3D打印零件的強度和剛性；b) 使用專用模溫機對冷卻水進行過濾處理，減少異物在冷卻通道中積聚；c) 在冷卻通道中鍍鎳，防止腐蝕發生；d) 3D打印時多做1～2個零件庫存，出現問題后立即更換；e) 采用更好的3D打印材料，奧地利聯合鋼鐵集團旗下的材料制造商開發了一款耐腐蝕的3D打印模制鋼粉末材料Uddeholm AM Corrax，該材料可以防止冷卻通道中沉積物堆積，防止腐蝕[12]。

7 結語

3D打印的模具隨形水路優點很多，汽車旋鈕注塑模具采用3D打印隨形水路取得了巨大成功，冷卻時間大幅縮短，模具鑲件溫差顯著降低，成型塑件的尺寸精度達到了MT3，模具型腔可以達到一模十六腔，綜合產能大幅提高。