3D打印随形水路在铰链盖模具上的应用

郑家峥，吕宏贵，杨金龙

（1.中国华录·松下电子信息有限公司，辽宁大连 116023；2.中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连 116021）

1 引言

注射模随形冷却概念在20 世纪90 年代出现。与传统的冷却水道理念不同，随形冷却水道的形状并不是直线型，而是随着模具造型变化的，如图1 所示。随形冷却水道可以解决由传统冷却水道造成的冷却不均匀，冷却效果差，冷却效率低等问题，但是受当时机械加工技术限制，很难应用于实际生产中。随着近年来3D 打印技术的飞速发展，随形冷却技术商用化也逐渐成熟，成为了模具技术的一个热门研究课题。

图1 直线型水道与随型水道示意图

2 塑件分析

本文以铰链盖塑件为实例，塑件造型如图2 所示，直径为ϕ26.24mm，高15.92mm，四周壁厚均匀约1.5mm，顶部壁厚1.5mm，塑件材料为ABS。

从图2 中可以看出，该塑件造型较为简单，不需要侧抽结构。背侧有深腔，壁厚较薄，需要多个顶杆才能顺利脱模顶出，同时内侧部位冷却困难，容易出现冷却不均匀现象。

图2 铰链盖塑件示意图

3 设计方案

3.1 传统冷却水道设计方案

首次设计时，按常规方式设计此模具，因传统冷却水道由于受加工能力限制，难以在动模侧添加有效的水道。首先考虑在动模侧设计隔板式冷却水道，但此塑件尺寸较小，隔板式冷却水道会与顶出结构干涉，因此，在模具动模侧设计常规的传统冷却水道，定模侧无特殊结构，也采用传统冷却水道设计。此模具镶块客户指定使用潜伏浇口形式。综上所述，设计镶块如图3所示。

图3 模具结构设计图

如图3所示，塑件顶出需要4根顶杆，基本完全占据了塑件内侧型腔处空间，无法添加隔板式冷却水道。动模侧因潜伏浇口结构，镶块结构需拼镶，镶块冷却水道直径均为ϕ8mm，添加脱模斜度1°，模具一模两取。模具设计完成后投入制造。

3.2 随形冷却水道设计方案

模具设计完成后，对模具结构进行优化，塑件造型与之前基本相同。为改善冷却效果的需求及解决生产课题，决定采用随形冷却方式进行设计。预想设计方案为在定模侧采用螺旋式随形水道，环绕模具型腔。动模侧在避开顶出结构的基础上，设计带有随形冷却水道的注射模主镶块，因使用3D打印技术制造镶块，因此，顶出结构也可做出改善。原模具塑件顶出后，动模测顶杆印过重，影响使用，最终决定更改浇口方式为点浇口，更改浇口位置为塑件中心，模具1模2腔，同时更改定模侧冷却水道截面，将螺旋式水道合并为非圆形水道，增加气体辅助顶出结构。最终设计镶块如图4、图5所示，关键件图如图6所示，模具结构如图7所示。

图4 随形冷却动模镶块结构图

图5 随形冷却动模镶块结构图

图6 动模侧关键件结构图

图7 模具结构图

4 模拟分析对比

两副模具实际制造时均为1 模2 腔，为了让研究分析更加直观，本文对冷却系统进行分析时分析，取单腔水道近似模型进行分析。两副模具冷却水道对比如图8所示。

图8 两种冷却水道对比图

通过MoldFlow 模流分析软件推荐的进行模拟对比实验。

（1）达到顶出温度的时间。

传统冷却水道模具与随形冷却水道模具的塑件达到顶出温度所需时间分别如图9和图10所示。

图9 传统冷却水道模具塑件达到顶出温度的时间

图10 随形冷却水道模具塑件达到顶出温度的时间

传统冷却水道模具方案达到顶出温度时间为3.606s，而随形冷却水道方案模具达到顶出温度时间为3.462s，低于传统冷却水道方案。通过对比可以发现，随形冷却水道模具塑件达到顶出温度的时间减少了，即冷却时间减少，冷却效率更高，成型周期缩短。提升了生产效率。

（2）模具镶块型腔表面温度。

传统冷却水道模具与随形冷却水道模具镶块型腔表面温度分别如图11、图12所示。

从图11、图12中的数据可以看出，传统冷却水道模具表面温度最高为59.39℃。随形冷却水道模具表面温度为55.13℃，冷却效果更好。且因为传统直线型冷却水道与模具型腔表面的距离是变化的，所以会出现冷却不均的问题，而随形冷却水道方案模具在动模侧添加了螺旋冷却水道，使得动模侧均匀冷却，解决了冷却不均的问题。

图11 传统冷却水道模具温度

图12 随形冷却水道模具温度

（3）翘曲变形。

传统冷却水道模具与随形冷却水道模具塑件翘曲变形量分别如图13、图14所示。

图13 传统冷却水道模具翘曲变形

图14 随形冷却水道模具翘曲变形

从图13、图14中的数据可以看出，传统冷却水道模具塑件翘曲变形量最大达到0.3216mm，翘曲量主要集中在0.2547mm 左右；而随形冷却水道模具塑件翘曲变形量最大为.3081，翘曲量主要集中在0.2445mm 左右。最大变形量相差0.0135mm，一般变形量相差0.0102mm。随形冷却水道模具不仅在冷却效率上有提升，在塑件质量上也有改善。

5 实例验证

5.1 3D打印技术介绍

选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）是根据离散-堆积的原理，在选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术基础上发展的一种新型3D打印技术。一般使用直径为ϕ30μm左右的单一组份金属粉末作为成型材料。SLM 技术与SLS技术相比，激光功率更大，在原材料选择上，范围更广，且成型时材料不需要混合粘结剂参与制造。在3D打印过程中，高能激光束加工的部位，金属粉末被快速加热并熔化，形成熔池，激光束移走，熔池迅速冷却凝固。

目前SLM技术是被运用最广泛的3D打印技术之一，它具有如下优点：

（1）工艺简单。传统机械加工方式有车铣刨磨等各种工艺，需要各种机床来完成加工，SLM 技术只需要SLM成型设备即可。

（2）复杂零件成型性好，成品率高。加工复杂工件时，不受工件复杂结构影响，对复杂工件有良好的加工性。

（3）材料利用率高，增材打印技术，几乎没有材料浪费。

（4）力学性能好，增材打印过程中，内应力小。

5.2 镶块制造与塑件生产

此次镶块制造使用设备型号为松浦LUMEX Avance-25 型号的3D 金属光造型复合加工机。设备激光发生器为Yb 光纤激光器；激光输出功率为标准规格200W，选配规格400W；最大工件尺寸为W250×D250mm；主轴转速为标准45,000min-1，选配件60,000min-1；轴行程（X/Y/Z）：260/260/100mm；进给速度（X/Y/Z）：60/60/30min。如图15 所示。

图15 SLM金属3D打印机

注射成型使用FANUC T-75D成型机，如图16所示。两种模具生产均使用此机床。

图16 FANUC成型机

其中传统水道模具生产参数：喷嘴温度240℃，1段240℃，2 段230℃，3 段220℃，料筒70℃。材料ABS，80℃干燥3h，最大射出压力1,500kg/cm2。

随型水道模具生产参数：喷嘴温度250℃，1 段250℃，2 段240℃，3 段230℃，料筒60℃。材料ABS，80℃干燥4h。最大射出压力1,900kg/cm2。

气体辅助顶出装置如图17所示。

图17 气体辅助顶出装置

5.3 结果与讨论

对比传统冷却水道模具与随型冷却水道模具的实验结果如表1所示。与传统冷却水道模具相比，随型冷却水道模具型腔表面温度低4.23℃，冷却时间减少0.144s，最大翘曲量减小0.111mm。冷却效率和塑件质量均有所提高。

表1 实验数据对比

在实际生产中，传统冷却水道模具生产时整个注射成型周期循环时间为32s。其中最大射出时间2s，最大保压时间4s，冷却时间15s，开模顶出时间5s。随型冷却水道模具生产时整个注射成型周期循环时间为39s。其中最大射出时间2s，最大保压时间4s，冷却时间10s，开模顶出时间15s。对比如表2所示。从表中对比可以看出，随型冷却模具虽然整体循环周期较长，但其原因为气体辅助顶出方式顶出时间较长，属于为满足塑件质量要求的必要时间。在冷却时间上，随型冷却水道模具冷却时间为传统水道模具的2/3。传统冷却模具动定模温度均为80℃，随型冷却模具动定模温度均为70℃。可见大大地缩短了冷却时间，提高了生产效率，也改善了冷却质量。同时因为生产时，成型参数略有不同，随型冷却模具注塑料温度更高，实际冷却效果优于实际数据对比。

表2 生产周期对比

两种塑件实物如图18、图19所示。

图18 传统水道模具塑件实物图

图19 随型水道模具塑件实物图

从两种塑件图中可以看出，传统冷却水道模具，背部型腔有4个明显的顶出印。随型冷却水道模具型腔处无明显顶出痕迹，浇口附近有气体辅助顶出痕迹，塑件其它部位均无明显问题。

6 总结

本文以实际生产的铰链盖模具为研究对象，进行模具随型冷却水道改造方案设计，并与传统冷却水道模具的成型效果进行对比，验证随型冷却水道对成型过程中的冷却效果起到优化作用。利用SLM 技术制造所设计的模具镶块。并成功生产塑件，经验证，与模流分析实验结果相同。即随型冷却水道模具在冷却效率、冷却效果及塑件变形翘曲等方面的表现均优于传统冷却水道模具。