基于3D打印的隨形冷卻注塑模具
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2016-04-01
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注塑成型，使得生活中的塑料制品可以獲得復(fù)雜的形狀和復(fù)雜的細(xì)節(jié)，在保持穩(wěn)定的公差范圍內(nèi)，并保持高質(zhì)量的產(chǎn)品表面情況下，實(shí)現(xiàn)批量化的生產(chǎn)。
對(duì)于模具制造商來(lái)說(shuō)，由于模具的質(zhì)量直接決定了注塑生產(chǎn)效率，并決定產(chǎn)品質(zhì)量，從而決定產(chǎn)品附加值，所以，如何在最小周期時(shí)間內(nèi)高效冷卻塑料產(chǎn)品，成為隨形冷卻模具設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中關(guān)鍵的考量因素，而冷卻在這其間扮演了重要的角色。
一、隨形冷卻擺脫傳統(tǒng)方式的制約
隨形冷卻的原理是，在一個(gè)統(tǒng)一連續(xù)的方式下快速地降低塑件的溫度。注塑件不能在冷卻過(guò)程中從模具中取出，直到冷卻充分，然后，從模具中取出注塑件。任何熱點(diǎn)都會(huì)延遲注塑件的注塑周期，可能會(huì)導(dǎo)致脫模后注塑件的翹曲和凹陷，并可能損害塑件表面的質(zhì)量。
快速冷卻是通過(guò)冷卻液在模具內(nèi)的通道流過(guò)，將注塑件的熱量帶走，這種冷卻效果的速度和均勻性是由流體通道以及冷卻流體通過(guò)它的速度來(lái)決定的。
傳統(tǒng)的模具內(nèi)冷卻通道是通過(guò)二次加工來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)交叉鉆孔，產(chǎn)生直線管的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)內(nèi)置流體插頭來(lái)調(diào)整流速和方向，這種方法有其局限性，水路網(wǎng)絡(luò)的形狀是有限的，所以，冷卻通道離模具的表面遠(yuǎn)，使得冷卻效率低。不僅如此，還不得不面對(duì)額外的加工和裝配時(shí)間，以及盲點(diǎn)的渠道網(wǎng)絡(luò)可能被堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。而且，在復(fù)雜的情況下，為了預(yù)留冷卻通道的加工，模具還需要被切分成幾個(gè)部分來(lái)制造，然后再拼接成一整塊模具，這導(dǎo)致了額外的制造環(huán)節(jié)，并且還會(huì)縮短模具的壽命。
隨形冷卻方式與傳統(tǒng)冷卻方式的區(qū)別在于，其冷卻水道的形狀隨著注塑制品的外形變化，不再是直線狀的，如圖1所示。這種冷卻水道很好地解決了傳統(tǒng)冷卻水道與模具型腔表面距離不一致的問(wèn)題，可以使得注塑制品得到均勻的冷卻，冷卻效率更高。
二、3D打印制造
3D打印制造使人們擺脫了交叉鉆孔的限制。現(xiàn)在，可以設(shè)計(jì)內(nèi)部通道更靠近模具的冷卻表面，并具有平滑的角落，更快的流量，增加熱量轉(zhuǎn)移到冷卻液的效率；還可以根據(jù)冷卻要求設(shè)計(jì)不同的冷卻回路，旨在以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。冷卻液通過(guò)量對(duì)模具的冷卻速度至關(guān)重要。必須設(shè)計(jì)光滑的角落，以減少沿通道的壓力損失。
金屬粉末選擇性熔化3D打印技術(shù)，在直徑小至1.4毫米的冷卻通道亦可以生產(chǎn)。鋪粉的3D打印制造技術(shù)的一個(gè)有益的好處是，粉末熔化帶來(lái)輕微紋理的表面，這種紋理結(jié)構(gòu)增加了冷卻接觸的表面積，帶來(lái)更好的傳熱效果，從而提高了冷卻效率，并形成通道內(nèi)小湍流，從而實(shí)現(xiàn)通道自清潔的效果。
三、3D打印對(duì)注塑產(chǎn)品帶來(lái)的附加值
通過(guò)3D打印制造的隨形冷卻注塑模具，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)70%的注塑模具加工效率。在圖2所示的例子中，一個(gè)冰刮刀的模具，通過(guò)增材制造方法來(lái)加工，使得注塑時(shí)間從80秒降到40秒，這意味著注塑件的生產(chǎn)速度變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍。
圖2：冰刮刀隨形冷卻模具
通過(guò)增材制造來(lái)制造的隨形冷卻模具的其他主要優(yōu)點(diǎn)包括：可以成型更均勻的塑件制品，使制品零缺陷，并且避免因冷卻速度不均勻而導(dǎo)致的縮凹痕跡。另外，在開發(fā)新注塑產(chǎn)品時(shí)，有助于實(shí)現(xiàn)通過(guò)較少的迭代即可完成產(chǎn)品的開發(fā)。當(dāng)然，更多的優(yōu)點(diǎn)還包括在制造復(fù)雜模具時(shí)，由于減少了冷卻通道加工和拼接的環(huán)節(jié)，增材制造方法比傳統(tǒng)方式更快。
應(yīng)該注意的是，增材制造出來(lái)的模具表面精度不高，要通過(guò)后期的精加工和拋光處理來(lái)獲得所需的表面精度。在這個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的機(jī)加工與增材制造優(yōu)勢(shì)形成互補(bǔ)。