注塑模具随形水路零件制造技术进展.pdf

58文章编号：10 0 1-49 3 4(2 0 2 3)0 3-0 0 5 8-0 6Die and Mould Technology No.3 2023注塑模具随形水路零件制造技术进展李克杰，李金国，蒋梦琳（台州职业技术学院，浙江台州3 18 0 0 0)摘要：3 D打印技术的出现，给塑料模具制造带来了新的方式。本文综述了国内外模具随形水路零件制备技术的发展现状，介绍了基于3 D打印，结合扩散焊、金属喷涂、CNC、粉末冶金、铸造等技术制备模具随形水路金属零件的方法。指出了3 D打印技术提升，3 D打印如何与其他制备技术结合，成型塑件冷却智能控制3 方面模具随形水路制备技术需要解决的主要问题。关键词:3 D打印；随形冷却；注射模中图分类号：TQ330.4十1Progress in manufacturing technology of mold parts with conformal waterway(Taizhou Vocational&Technical College,Taizhou 318000,Zhejiang,China)Abstract:The emergence of 3D printing technology has brought new modes to plastic moldmanufacturing.The development status of manufacturing technology of mold parts withconformal waterway at home and abroad was reviewed.Based on 3D printing technology,combined with diffusion welding,metal spraying,CNC,powder metallurgy,casting andother technologies,the methods of manufacturing mold parts with conformal waterway wereintroduced.And the main problems that need to be solved in 3D printing technologyimprovement,combining 3D printing with other preparation technologies,and intelligentcooling control of molded plastic parts were pointed out.Key words:3D printing;conformal cooling;injection mold文献标识码：ALI Kejie,LI Jinguo,JIANG Menglin电等行业。2 0 19 年1一11月，中国塑料制品产0引 言当今模具行业约有3 0%的模具为塑料制品模具，并且应用于航空航天、汽车工业、仪表机量累计达7 19 9.5 万t，其中注塑件产量约占同期塑料制品总产量的3 8%1注塑工艺过程包括合模、注射、保压、冷却和脱模5 个阶段。其中注射和冷却阶段对制品收稿日期：2 0 2 3-0 2-17基金项目：浙江省高等教育十三五”第二批教学改革研究项目（编号：jg20190883)；台州市智能模具重点实验室建设项目（编号：2 0 2 2 TL06)；2 0 2 1年台州市工业类科技计划项目（编号：2 1gya35）。作者简介：李克杰，博士，副教授，主要从事智能模具技术方面的研究。模具技术2 0 2 3.No.3的成型质量均有决定性的影响。在热塑性塑料制品成型过程中，模具的冷却时间一般占整个周期的2/3 以上(图1)2 。所以在注塑成型过程中，在确保产品质量的前提下，应尽量缩短成型周期各个阶段，尤其是冷却阶段的时间。塑料熔体传递到模具的9 0%9 5%的热量由模具充填时间开模时间10%20%40%70%冷却时间Fig.1 Injection molding cycle最近几年，模具制造行业开始利用3 D打印技术制备随形水路零件，应用于精密复杂的塑件模具，使得产品质量明显提高，促进了模具制造技术的发展。本文综述了注塑模具行业随形水路零件制造技术概况，以期为先进模具制造技术开发提供参考和借鉴。1注塑模水路特点注塑模具共用预热和冷却水路。预热阶段水道中通入140 左右饱和蒸汽，冷却阶段水道中通入2 0 的水,实现模具的快速加热与冷却。水路与产品距离越近、水路内冷却液雷诺数越高，及冷却液与模具金属温差越大，传热效率会越高，模具材质也对模具冷却效率有重要影响。一般模具冷却时温差值控制在5 以内,开模或者取件温度约为7 0 左右。模具冷却温度不均可能导致型腔内模具各部位的热变形不同，使各种模具零部件外形尺寸发生微小变化，在开合模过程中出现卡滞、咬死等现象,增加生产成本,降低生产效率1.4。传统水路使用机加工方法，零件钻孔并联通形成水路，水路布置有很大的局限性，水路交界处存在死水区，模具部分区域温度不易控制。对于形状复杂的上下模仁，传统水路无法完全贴近型芯、型腔表面，塑料制件易因冷却温度差59冷却系统带走，而大约6 0%的塑件质量问题是由模具冷却系统设计不恰当而引起的 3 。一个冷却效果良好的模具冷却系统，可以缩短产品冷却时间，提高生产率，还能使产品均匀冷却，降低残留应力，稳定产品尺寸，提升产品质量，降低生产成本。保压时间10%15%图1注塑成型周期过大导致收缩不均衡而出现翘曲变形、开裂、外观不良等缺陷，降低生产效率。虽有如隔板式、喷流式、挡板式、螺旋式等不同形式的加强冷却设计使冷却效果提高，但其结构复杂，导致加工工序增多、加工难度增加,生产成本提高；同时，镶拼结构精度要求高，易受温度、注射压力等因素影响产生变形，造成冷却液泄漏 5 。3D打印随形水路可以为任意形状、任意截面。水路可以均匀贴近型腔表面，可达到快速均匀冷却效果，缩短模具的成型周期。相较于常规水路，用该方式生产的塑件制品主要有以下优点：尺寸精度高，成型件各位置温度均匀，保证了塑件收缩率一致；塑件变形小，成型件各位置温度散热均匀不易造成成型件形变，特别是结构复杂、壁厚不均塑件；力学性能好，塑件各位置温度一致性好，不易造成物料交联固化不充分、气孔、裂纹等缺陷；表面质量出色，塑件各位置冷却速度一致,均匀冷却，温差较小。2阳随形水路制备技术2.13D打印随形水路十机加工方法3D打印模具随形水路技术是在计算机、激光技术、机械制造、先进材料、数控加工等基础上其他17%冷却影响时间83%60发展而来。它可使模具制造时间减少约1/3，生产成本下降约2 0%3 0%，有效缩短模具的研发和制造周期，目前已成为模具研发、试制与小批量生产的一种快速、低成本的有效途径。模具随形水路金属零件早期主要是利用激光选区烧结(SLS)等间接法，配合高温烧结等后续工艺制备。随着金属直接3 D打印，如激光选区熔化(SLM)技术日益成熟，3 D打印金属模具开始获得应用。随形水路零件3 D打印工艺流程见图2，打印软件计算最模型转化为3 D3D零件建模打印格式热处理去除内应力立精加工获得合格零件图2 随形水路零件3 D打印工艺流程Fig.2 3D printing process of conformal waterway parts表1.SLM与传统加工方法制造复杂水路零件制备技术对比 5,7-9 Tab.Comparison of LM and traditioal procsing methods for manufacturing complex waterway pars制备技术1.钻孔加工圆柱形直线水路网络，止水栓和堵头调整水路流向；2.冷却水出入口的温差小于5；传统水路3.水路直径与水路中心到型腔表面距离与相邻水路管道中心距离常取值为1：3：51.打印内腔冷却水路，不添加支撑；2成型材料多为直径为3 0 m左右的金属粉末；3.加工精度为0.0 2 0.10 mm；4.表面粗糙度Ra1050m;5.每小时打印质量在45 7 5 g之间；6.可贴近模具表面，多条水路共存；7.水路可以为任意形状、任意截面；SLM8.支持铝合金、钛合金、镍合金及模具钢等多种材料的打印；9.冷却水出入口温差可达2 3；10.水路直径最小可以做到1mm；11.零件打印完成后热处理去应力。12.金属件尺寸大多小于2 5 0 mm250mm300mmDie and Mould Technology No.3 2023部分3 D打印模具随形水路制备技术如下 3 。（1）SL S技术基于粉末床进行,利用红外激光烧结粉末。先铺一层粉末材料，加热至恰好低于该粉末烧结点某一温度，激光束照射使粉末温度升至烧结点之上，进行烧结并与下面已制作成型的部分粘结。一个层面完成烧结，打印平台下降一个层厚的高度，打印平台铺上新的粉末材料，再次进行激光烧结，循环往复，完成3 D物体打印。该烧结方式产出零件都存在致密性低、力学性能差等缺陷。（2）SL M 技术是目前金属3 D打印成型中优加工程序和加工路线模型打印毛坏件制造特点应用最普遍的技术，对选定区域内金属粉末采用激光实现熔化，然后逐层冷却、凝固，层层堆积得到致密度和力学性能符合要求的零件。零件致密度与成型尺寸精度比SLS工艺高，翘曲变形小，不需要后期进行渗铜等处理。原材料金属粉末大多是通过外国进口，制造成本较高。SLM与传统加工方法制造复杂水路零件制备技术对比如表1所示。缺点者1.复杂型腔处热量不易消散，冷却效率低，冷却效果差；2.产品易因冷却不均勾导致变形、翘曲等，废品率高；3.对人员技能要求高；4.受限于钻头长度、加工工艺，水路尺寸1.成型后工件有较大内应力，难1加工零件需几十到消除，易产生裂纹和变形；2.设备成本及制作成本高，金属粉末价格高；3.工艺稳定性差、材料种类有限；4.产品表面粗糙度较低；5复杂水道会降低零件的刚性；6.冷却水中沉积物和铁锈在形状复杂冷却通道中易积聚；7.成品水路表面质量差，导致水路表面耐腐蚀性下降，水道易开裂漏水；8.零件尺寸大小受限优点有较长的历史，经过了无数实践的检验，工艺成熟上百小时；2模具温度均匀，避免产品缩陷、缩痕、翘曲变形等问题；3.零件几乎没有形状结构要求，提高散热效率，缩短生产周期，节能降耗；4.比常规水路节约冷却时间约6 4%，减少模具温差幅度高达3 8.8%（3）激光熔覆沉积（LENS)技术。是一种基于同步送粉的激光熔覆沉积技术，在成型熔池内，高功率的激光在控制系统的作用下将金属粉末材料逐层堆积，最后再对熔覆成型的金模具技术2 0 2 3.No.3属零件进行后处理。与 SLM最大不同在于，其粉末通过喷嘴聚集到工作台面，与激光汇于一点，粉末熔化冷却后获得堆积的熔覆实体零部件的致密度好，零部件成型后的尺寸精度和表面光洁度较低，必要时需要进行机加工。（4）电子束熔融成型（EBM)技术，工艺过程与 SLM非常相似,在真空箱内以电子束取代激光束作为能量源。EBM的优点包括：电子束使用电力消耗低，且安装和维护成本低；无需金属支撑零部件的质量、力学性能好；但需要配备相关设备，价格高，生产效率低。2.2SLM(SLS)+铸造方法用SLM化成型方法或选SLS方法制造具有一定壁厚的模具外轮廓壳体，金属随形冷却水路管道通过各种折弯等工艺来制作，紧密贴合模具外壳内表面轮廓，将模具冷却管道与模具外轮廓壳体形成的间隙进行浇铸填充，冷却固化成型；对模具外轮廓壳体进行整体的表面精加工处理，获得随形水路零件（图3）。工艺简单，模具制造精度高，模具冷却管道可根据设计要求任意设置，满足模具在使用过程中的冷却要求，提高模具的使用寿命，降低模具制造成本和制造周期 10 金属水路SLM(或SLS)模仁外壳图3 SLM(SLS)+铸造随形水路零件示意图Fig.3 Structure diagram of SLM(SLS)+casting methodfor manufacturing conformal waterway parts2.3CNC+粉末冶金方法先将模仁从水路处拆分为上、下模仁和水路3 个部分，制作水路模型和CNC加工下模仁辅助成型模具，用金属粉末压制技术，利用下模仁辅助成型模具压制出下模仁模型，再将树脂材料水路模型放置在下模仁模型上，继续填充金属粉末并压制，最终在成型槽内形成内部嵌有水路模型的模仁模型，对该模型烧结脱脂，制61作出内部具有随形水路的模仁（图4），该随形水路呈与型腔形状一致的轨迹分布于型腔外围，能够对型腔进行均匀的冷却 11，OO下模仁图4CNC+粉末冶金随形水路零件示意图Fig.4Structure diagram of conformal waterwayparts manufactured by CNC+powdermetallurgy technology2.4CNC十金属喷涂方法这是一种内藏随形冷却水路的模具制作方法，其步骤是用模具钢来制造厚度均匀的模具外壳；将该模具外壳固定于框架箱内的预定位置；并固定预先成型的冷却水路在模具外壳上，该冷却水路的几何结构与模具外壳紧密接触；进行金属喷涂成型；完成金属喷涂后，将整个模具从框架箱内取出。资料显示本技术不仅可提高模具的寿命，而且可通过减少产品成型周期来提高生产效率,降低生产成本 12 。2.5CNC+扩散焊铸造金属使用机加工方法，在多块零件上加工出水路凹槽或孔，然后扩散焊接成一体，构成随形水路(见图5)13 。整体零件在设计的时候不能分块过多，可设计水路数量较少，空间分布受限。因为扩散焊接只能接合平面，这种做法只能制作出相对简单的随形冷却水路零件。焊接后，焊缝处凸起，易导致水路截面变形，影响冷却液流动。同时，焊接处有漏水的风险,降低良品率。水路零件1零件2一零件3图5CNC十扩散焊方法随形水路零件示意图Fig.5Structure diagram of conformal waterwayparts manufactured by CNC+diffusionwelding technology上模仁水路模型型腔623结束语基于3 D打印，结合扩散焊、金属喷涂、CNC、粉末冶金、铸造等制造技术，技术人员开发了不同注塑模随形水路零件制造方法，可以使模具冷却温度均匀，改善了注塑制品缩陷、缩痕、翘曲变形等问题，提高散热效率，缩短生产周期，节能降耗。进一步研究的主要方向有：（1）通过3 D打印制做不需要后续数控精密加工及更大尺寸的模具随形水路零件；（2）3 D 打印与新技术、新工艺、新材料、传统制造方法相结合，优势互补，开发成本低、实用性好、效率高的新型注塑模随形水路零件制造技术；（3）智能模具是未来模具制造的方向，随形水路制备技术如何与智能化、精密化、物联网等技术相结合，进行成型塑件冷却智能控制是值得探索的重要研究方向。面对日益激烈的市场竞争和技术环境变化，开发完善注塑模随形水路制备技术将成为提升模具产业竞争力的一个重要途径。参考文献：1马一恒.基于3 D打印的注塑模随形冷却水路优化设计及应用研究 D.青岛：青岛科技大学,2 0 2 0.MA Y H.Research on theoptimaldesign andapplicationfortheconformal cooling channel oftheinjection moldbased on 3D printing D.qingdao:qingdaouniversity of science and technology,2020.2 王正才,庄舰，熊瑞斌.CAE技术整合随形水路设计的电机盒模具研究.工程塑料应用，2 0 12,40（9）：68-71.WANG Z C,ZHUANG J,XIONG R B.Electricalbox mold combining CAE technology with conformalcooling water circuit design J.En g i n e e r i n gPlastics Application,2012,40(9):68-71.3 刘雷.基于3 D打印的快速模具关键技术研究 D.石家庄：河北科技大学，2 0 17.LIU L.Research on key technology of rapid toolingbased on 3D printing D.Shijiazhuang:HebeiUniversity of Science and Technology,2017.4王犇，李旭东.大型模具系统注塑成型过程中传热行Die and Mould Technology No.3 2023为的数值模拟J.甘肃科学学报，2 0 18，3 0（4）：119-125.WANG B,LI X D.Numerical simulation of heattransfering behavior in the process of injectionmoulding of large die mold system J.Journal ofGansu Sciences,2018,30(4):119-125.5 杨莉.随形水道注塑模优化设计和镶件的SLM制作研究 D.兰州：兰州理工大学,2 0 18.YANG L.Research on the optimization design ofinjection mould for coolingchannel and SLMmanufacturing of inserts D.Lanzhou:LanzhouUniversity of Technology,2018.6 高志华，孙育竹.基于3 D打印的注塑模具随形冷却水道设计研究.新技术新工艺，2 0 2 0（9）：3 7-3 9.GAO Z H,SUN Y Z.Researchon the design ofshaped cooling channels for injection mold basedon3D printing J.New Technology&New Process,2020(9):37-39.7 黄如周,刘路,黄国军，黄泽坚，一种注塑模具的制作方法及3 D打印注塑模具：2 0 18 10 6 7 3 9 17.6 P.2018-12-18.HUANG R Z,LIU L,HUANG G J,HUANG Z J.A Manufacturing method for injection mold and 3Dprinting injection mold:201810673917.6 P.2018-12-18.8 刘其南，林权,李俊杰，等.基于Moldex3D的常规水路与异型水路设计对注塑成型质量影响研究.中央民族大学学报（自然科学版），2 0 2 0，2 9（4）：38-44.LIU Q N,LIN Q,LI J J,et al.Influence ofconventional and conformal cooling design oninjection molding quality based on Moldex 3D J.Journal of MUC(Natural Sciences Edition),2020,29(4):38-44.9 朱小帅，复杂模具一体化激光3 D打印过程仿真及其工艺技术研究 D.武汉：武汉工程大学，2 0 19.ZHU X S,Simulation and technology research oflaser 3D printing process with complex dieintegration D .Wu h a n:Wu h a n I n s t i t u t e o fTechnology,2019.10李国强,单铭贤，陈伟伦，等.基于直接金属激光烧结及铸造成形技术的具有随形冷却水路的模具及其制造方法：2 0 17 10 2 8 8 2 5 4.1 P.2017-04-27.LIG Q,SHAN M X,CHEN W L,et al.Mold andmanufacturing method with conformal cooling waterpath based on direct metal laser sintering and castingforming technology:201710288254.1P.2017-模具技术2 0 2 3.No.304-27.11孙侥鲜,张绍华一种内部具有随形水路的模具及其制作方法：2 0 15 10 0 5 142 7.9 P.2015-07-01.SUN Q X,ZHANG S H.A mold with an internalshaped waterway and its production method:201510051427.9P.2015-07-01.12李国强,单铭贤,彭泓，等.一种内藏随形冷却水路的模具的制作方法：2 0 13 10 2 9 7 3 2 8.XP.2 0 15-09-23.63LI G Q,SHAN M X,PENG H,et al.Amanufacturing method for a mold with a built-inshape following cooling water path:201310297328.X P.2015-09-23.13刘俊麟，宋结明，魏霓.具有随形水路冷却结构的模具：2 0 19 2 17 7 3 3 6 1.4 P.2019-20-21.LIU J L,SONG J M,WEI N.Mold with conformalwaterway cooling structure:201921773361.4 P.2019-20-21.