基于SLM成形随形冷却水道注塑模具的应用

郭东海，冯 涛，段国庆，包洪彬，吴朋越

（北京易加三维科技有限公司，北京102206）

注塑模具的冷却效果决定了注塑成本及产品质量，而冷却的核心是在模具型腔周围设置适合的冷却管道。随形冷却水道能实现均匀、快速的冷却，与传统冷却方式相比，其水道形状随注塑制品外形的变化而变化，能有效解决传统冷却水道与模具型腔表面距离不一致的问题，使注塑制品冷却得更均匀，冷却效率更高[1-4]。

美国学者Sachs在1997年提出了注塑模具随形冷却技术，认为其将成为3D打印领域最主要的应用之一[5]。该技术由三维数字模型直接成形任意复杂的实体机构，在多品种、小批量模具产品生产方面具有显著的效率和成本优势。利用该技术制造随形冷却模具，不仅简化了制造工艺，同时也方便了随形冷却水道的设计，提高了设计效率，随形性更为理想。本文以某PP手柄的注塑模具为研究对象，设计了3种手柄模芯的随形冷却方案，通过模流分析软件对方案进行优选，并最终在生产中得到应用。与传统冷却方式相比，冷却效率和产品质量均得到了较大的提升。

1 传统水路存在的问题

图1是某手柄塑件结构。手柄高度为180 mm，手柄外侧壁厚较均匀，平均厚度为2 mm，最厚处达3.6 mm（图1所示A处），最薄处为手柄内部4处肋板，厚度为0.7 mm（图1所示B处），顶部有一圆孔，直径为5 mm（图1所示C处），手柄内腔直径由下至上逐渐变小，脱模斜度为1°。该产品要求装配圆孔尺寸精度高、变形量小，肋板处表面光滑、无毛刺，所用注塑材料为聚丙烯（PP）。

图1 塑件产品结构示意图

该手柄外部结构较简单，但内部有132 mm深腔，顶部温度场较高，严重影响成形周期和尺寸精度，且内部肋板及圆孔处极易因冷却不均而导致尺寸变形，不利于产品脱模及后期装配。如图2所示，产品最初采用传统注塑方式进行模具注塑成形。对于模具型腔部位，冷却方式为在其底部铺设多条交叉的冷却水道；对于型芯部位，采用喷泉式冷却回路方式，进水口直径为4 mm，出水口直径为8 mm，冷却高度为50 mm。同时，水路以上部位被肋板分割成4片，壁厚较薄，传统机加工方法无法在该部位铺设管路，导致型腔表面各部分与冷却管道的距离不相等，离冷却管道距离近的部分传热快、冷却效率高，离冷却管道距离远的部分传热慢、冷却效率低，致使塑件的各部位冷却不均匀，从而产生翘曲变形，降低了塑件尺寸精度。特别是手柄顶部的深腔处、肋板处基本处于无冷却状态，使肋板处和装配孔处出现了严重的变形及飞边，且肋板处的变形会导致脱模卡滞现象，圆孔处的变形会导致装配失败。

图2 传统冷却水路及产品图

此外，由于注塑成形过程中要求型腔内的塑件平均温度降低到规定的开模温度以下才能开模取件，冷却效率低的部位导致了整个塑件的冷却效率降低，延长了注塑周期。因此，按传统的冷却方式无法解决上述部位无冷却、冷速慢、不均匀的问题，为了提高冷却效果，本文对型芯部位采用随形冷却水道的方式。

2 随形冷却系统设计及模拟分析

2.1 随形冷却水道的设计

SLM随形冷却水路可制作任意复杂形状的水路结果。为保证冷却效果，对于型腔浅的模具可直接采用偏置型腔表面轮廓线的方法获得随形冷却管道的中心线；对于型芯较高的情况，一般采用螺旋式冷却水道或拆分成多个部分的组合式冷却水道；对于外部形状较复杂的曲面件，可采用切面法，利用多个新建的平面与模具型腔表面的交线建立冷却水道，该方法可获得与型腔表面几何形状相符程度高的随形冷却管道。SLM随形冷却水道的截面形状也具有多样性，常见的如圆形、椭圆形、U形等。

为缩短模具整体制造周期，制定方案时不改动镶件中的水路进、出水口的尺寸及位置，只对内部水路的结构进行更改。由于该塑件属深腔类产品，所以在型芯随形冷却水道设计时，采用了螺旋式或组合式的冷却水道。为减小热应力积累对模具使用寿命的影响，以及更好地控制模具壁面温度，选取了圆形截面积的水道。在水道尺寸方面，肋板以下部位的冷却水道直径为4 mm，肋板以上部位的型芯被分割为两两对称的薄壁结构，其中左、右两侧只能铺设直径3 mm的水道，而前、后两侧若铺设水道，直径小于2 mm则可能造成后续运水堵塞，故该处不铺设水道。由此设计了3种随形冷却水道方案（图 3）：

（1）冷却水路采用3路进水口、3路出水口的方式。其中，3路进水口交汇于镶件底部进水口处（图3b）；

（2）冷却水路采用1路进水口、1路出水口的方式（图 3c）；

（3）冷却水路采用3路进水口、3路出水口的方式。其中，底部进水口上方连接一个梭形进水管路，3路进水口源于该梭形管路上部（图3d）。

图3 不同冷却方案示意图

2.2 冷却效果分析

对于上述3种冷却设计方案，用模流软件进行冷却模拟分析，所建模型见图4，分析时采用的工艺设定参数见表1。通过冷却分析，各方案的冷却时间、型芯顶部表面温度和冷却水路压力的模拟结果分别见图5。

表1 模流分析工艺设定参数表

图4 模流分析模型图

图5 不同方案的模拟冷却数据

从图5a可看出，3组随形冷却方案的冷却时间均在32 s左右，差别不大；但对比于传统冷却水路的37 s，冷却效率提高13.5%，这主要是对于该塑件产品，决定冷却时间长短的关键在于顶部深腔处的冷却，而随形冷却水路在深腔处有冷却水道，故其冷却时间更短。其中，方案3的冷却时间最短，是由于其采用了3路进水口螺旋式随形冷却水路，在更贴合产品形状的同时，具有较大的水路压力，使得冷却效果最佳。

由于该型芯的冷却关键部位为顶部，在该区域选取2个对称点（图2a所示A和B），对比分析其在一个模具周期内的温度。从图5b可看出，3种随形冷却方案的温度在15～17℃之间，分布宽度在0.8℃以内，而传统水路在该处的温度分别为73.1、82.6℃，说明随形冷却水路可大幅提高冷却效果和冷却的均匀性。同时，方案3的优势最突出。

从图5c可看出，随形冷却水路压力低于传统水路压力，入水口较多的随形冷却水路压力高于入水口较少的，水道流程较长的水路压力低于流程较短的。这是由于随形冷却水路管径较小，单路进出水口流程较长，尤其是螺旋水路较曲折，水流流动过程中受到的阻力较大，从而导致水路压力降低。

分析可知，随形冷却具有较高的冷却效率，冷却均匀性很好，且模具壁面温度接近冷却水温度。这是由于冷却水道更贴近型芯和型腔壁面，随形冷却的覆盖面几乎包括塑件的所有区域，模具与冷却水的热量交换快，所以冷却效果得到很大的提升。此外，随形冷却水道的压力损失较大，因此通入冷却水时需用更大的泵供送压力。

3 模具制造及应用

3.1 模具制造

根据上述分析结果，选取冷却效果最佳的方案3，对带有随形冷却流道的镶件部位采用SLM技术进行制造，并替换带有传统水路的镶件。考虑到塑件的结构特征、使用环境、质量要求及SLM工艺特点，镶件打印成形后，需进行热处理以满足使用要求，之后还需对表面进行机械加工、抛光以提高表面光洁度。因此，在进行模具设计时，需预留足够的加工余量，本套模具设计余量为0.6 mm。

模具镶件制造设备采用自主研发的EP-M250型金属3D打印机（图6a），其搭载500 W光纤激光器，最大成形尺寸为250 mm×250 mm×300 mm。成形材料选用与原镶件材质相近的18Ni300马氏体时效钢粉末，成形时的层厚为40 μm，激光功率为460 W，扫描速度为1.7 m/s，成形后的镶件见图6b。本次成形镶件共8个，成形时间为60 h。

图6 成形设备及成形件

成形件经线切割与基板分离后，需用压缩气体对内部随形管路中的粉末进行清理，之后进行时效热处理以提高镶件的强度及硬度，再通过机加工去除表面余量。为了保证脱模顺利及提高产品精度，需对两侧及与肋板接触的狭缝处采用镜面电火花加工及手工抛磨的方法进行抛光至镜面A2级别，加工后的镶件见图7。

图7 机械加工及抛光后镶件图

3.2 模具应用

该套模具为一模六腔，将处理后的镶件装配至原始镶件位置并应用于注塑生产，图8是模具装配实物图，注塑产品见图9。

图8 模具装配实物图

通过上述模拟分析得到冷却时间为18 s，保压时间为1 s，开合模时间为1 s，加上注射时间，注塑成形周期约为35 s，冷却效率较传统冷却提高49%，注塑效率提高41%。经现场试模生产，得到注塑成形周期内的各阶段时间，从表2可看出，冷却效率较传统模具提升54%，成形周期缩短36%，与模拟结果接近。同时，成形过程中未出现产品内部肋板变形而导致的脱模困难、飞边、装配孔变形等缺陷，说明随形冷却模具的冷却均匀性较传统模具也有较大的提升。

图9 随形冷却产品图

表2 随形冷却与传统冷却的各阶段时间对比s

4 结论

（1）针对传统模具注塑生产中出现的问题，针对模具镶件设计了3种不同的随行冷却水道方案，并利用模流软件对方案的冷却时间、模具型腔表面温度和冷却水道压力进行了分析及优选。

（2）随形冷却镶件经装备用于注塑生产后，冷却效率较传统模具提升54%，成形周期缩短36%，与模拟结果接近，且塑件产品的翘曲变形、尺寸精度明显改善，飞边现象消失。

[1] 刘斌，谭景焕，吴成龙．基于3D打印的随性冷却水道注塑模具设计[J]．工程塑料应用，2015，43（10）：71-74．

[2] WANG Y，YU K M，WANG C C L，et al．Automatic design of conformal cooling circuits for rapid tooling[J]．Computer Aided Design，2011，43（8）：1001-1010．

[3] DANG X P，PARK H S．Design of U-shape milled groove conformal cooling channels for plastic injection mold[J]．InternationalJournal of Precision Engineering and Manufacturing，2011，12（1）：73-84．

[4] 冯刚，张朝阁，江平．我国注塑模具关键技术的研究与应用进展[J]．塑料工业，2014，42（4）：16-19．

[5] SACHS E，WYLONIS E，ALLEN S，et al．Production of injection molding tooling with conformal cooling channels using the three dimension printing process[J]．Polymer Engineering and Science，2000，40（5）：1232-1247．