在整個(gè)注塑制品的成型過程中，冷卻具有十分關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)冷卻水道呈直線型，制品表面距冷卻水道的距離隨著制品形狀的改變卻可以不變。而隨著 3D 技術(shù)的發(fā)展，制品表面距隨形冷卻水道的距離隨著制品形狀的改變卻可以不變，實(shí)現(xiàn)了制品的均勻冷卻。由于成本的制約，目前，生產(chǎn)多數(shù)采用傳統(tǒng)CNC 和金屬 3D 打印的復(fù)合技術(shù)，即僅在存在熱點(diǎn)的區(qū)域采用包含隨形冷卻水道的鑲嵌，其余的區(qū)域仍采用傳統(tǒng)的直線型冷卻水道，兩者拼合得到整個(gè)制品注塑模具的冷卻水道。這種采用傳統(tǒng)CNC和金屬3D打印的復(fù)合技術(shù)，不僅成本可以得到控制，冷卻效果也得到了提升。

本文以某汽車后視鏡殼為制品模型，材料選擇PBT+ 50GF，注塑模具采用一模兩腔的結(jié)構(gòu)。汽車后視鏡殼的三維圖，如圖 1 所示。

模具隨形冷卻水道設(shè)計(jì)及模擬分析!

2.1 產(chǎn)品模型厚度分析

汽車后視鏡殼的厚度分析如圖 2 所示。汽車后視鏡殼屬于薄板型塑件，厚度不均勻，最薄處只有0. 0969mm; 最厚處可達(dá)8.283mm，同時(shí)，材料還含有 50% 的玻璃纖維，會(huì)造成填充流動(dòng)困難，冷卻不均勻現(xiàn)象。冷卻時(shí)間因?yàn)楹癖谔幍臒狳c(diǎn)而延長，而且制品溫度分布不均，造成了嚴(yán)重的翹曲變形。

圖3為局部區(qū)域放大圖，箭頭所指的區(qū)域，由于依靠著一個(gè)圓柱體，厚度為7.817mm，周圍的厚度約為2mm，厚度相差較大，最終的制品會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的縮痕。

2.2 注塑工藝分析

Moldflow分析的模具注塑工藝參數(shù)的設(shè)定如表 1 所示。

2.3 傳統(tǒng)冷卻水道與隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)對(duì)比

傳統(tǒng)直線型冷卻水道過渡處全部為直角，柱體的冷卻采用 冷卻井實(shí)現(xiàn); 而3D打印是“分層制造，層層疊加”的過程，可以打印出任意形狀的隨形冷卻水道，但是，金屬 3D 打印的隨形冷卻水道比傳統(tǒng)冷卻水道的成本高很多，所以，一般采用傳統(tǒng)CNC和金屬3D打印的復(fù)合技術(shù)，即大部分的冷卻水道利用傳統(tǒng)CNC加工，局部傳統(tǒng)冷卻水道無法冷卻的區(qū)域采用金屬3D 打印的隨形冷卻水道鑲嵌消除熱點(diǎn)。

汽車后視鏡殼產(chǎn)品注塑模具的冷卻水道采用傳統(tǒng) CNC 和金屬 3D 打印的復(fù)合技術(shù)。模型控制變量的所有參數(shù)基本一致，冷卻液溫度設(shè)置為80℃ 。傳統(tǒng)冷卻水道方案采用直線型冷卻水道，深腔骨架處選擇常見的冷卻水井設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)冷卻水道的設(shè)計(jì)如圖5所示。隨形冷卻水道方案的直徑為3mm，更貼近制品表面，同時(shí)為了避免干涉，在深腔處采用上下環(huán)繞的設(shè)計(jì)方法。鑲嵌件中隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)如圖6所示。

傳統(tǒng)冷卻水道的鑲嵌件透視圖和隨形冷卻水道的鑲嵌件透 視圖如圖 7 所示。

2.4 傳統(tǒng)與隨形冷卻水道的結(jié)果對(duì)比

模具型腔表面溫度分布

圖8為傳統(tǒng)冷卻水道方案與隨形冷卻水道方案的模具型腔表面溫度分布。

從圖中可以看出，因?yàn)閭鹘y(tǒng)冷卻水道是直線型，水道與模具 型腔表面的距離是變化的，所以不能完全均勻冷卻，基本上每個(gè)面都有熱點(diǎn)出現(xiàn)，局部熱點(diǎn)溫度高達(dá)167.2℃，其余非熱點(diǎn)區(qū)域溫度基本保留在130℃。而對(duì)于隨形冷卻水道方案，圈住的骨架部分的熱點(diǎn)問題得到了很大的改善，原先采用傳統(tǒng)冷卻水 道得到的制品溫度為155℃的點(diǎn)，采用隨形冷卻水道冷卻后，溫度基本降到了100℃以內(nèi)，溫度平均降低了30℃。在采用隨形冷卻水道方案時(shí)，在傳統(tǒng)冷卻水道方案熱點(diǎn)處的冷卻水井改變 為直徑為3mm的隨形冷卻水道，冷卻效果得到改善，冷卻不均的問題得到了解決。

2.4.2 達(dá)到頂出溫度的時(shí)間

含傳統(tǒng)冷卻水道和隨形冷卻水道的注塑制品達(dá)到頂出溫度的時(shí)間分別如圖9a和圖9b所示。

含傳統(tǒng)冷卻水道的注塑制品達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為36.05s，而含隨形冷卻水道的注塑制品達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為13.29s。兩者比較可以發(fā)現(xiàn)，隨形冷卻水道可使制品達(dá)到頂出溫度的時(shí)間減少了近2/3，冷卻時(shí)間明顯縮短，很大程度上縮短了成型周期。

2.4.3 翹曲變形

圖10a和10b分別為含傳統(tǒng)冷卻水道和隨形冷卻水道的制品翹曲變形模擬分析圖。

含傳統(tǒng)冷卻水道的后視鏡外殼翹曲變形量最大可達(dá)到0.9667mm，大部分區(qū)域的變形量約為0.4869mm；而含隨形冷卻水道的后視鏡外殼翹曲變形量最大可達(dá)到0.9950mm，大部分區(qū)域的變形量約為0.2566mm。分析最大翹曲變形量，兩者相差較小，但是，結(jié)合整體區(qū)域的翹曲變形量，兩者相差了0.24mm，將近一倍，因此，含隨形冷卻水道的注塑模具能夠較好地改善制品翹曲變形的程度。

隨形冷卻水道的制造

3. 1 3D設(shè)備的工作原理

圖11為 SLM( Selective Laser Melting，簡稱 SLM) 金屬 3D 設(shè)備的工作原理圖。SLM 設(shè)備一般由光路單元、機(jī)械單元、控制單元、工藝軟件和保護(hù)氣密封單元等幾個(gè)部分組成。送粉系 統(tǒng)將金屬粉末送到鋪粉系統(tǒng)內(nèi)，鋪粉系統(tǒng)利用滾筒使金屬粉末平鋪到工作臺(tái)上，每層厚度可調(diào)節(jié)，一般為0.02 ～ 0.08mm。鋪粉厚度適宜，若鋪粉過厚，激光不能完全熔化金屬粉末; 若鋪粉過薄，則打印時(shí)間較長。再使用激光照射預(yù)先鋪好的金屬粉末，目前常用的激光功率為200 ～ 400W，光斑直徑范圍為50 ～ 500μm。金屬零件成型完畢后，可被粉末完全覆蓋。

采用精細(xì)聚焦光斑快速熔化預(yù)制金屬粉末材料，可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結(jié)合的功能零件。使密度可達(dá)到約 100% ，尺寸精度 20 ～ 50μm，表面粗糙度 20 ～ 30μm。

3.2 參數(shù)的設(shè)定

汽車后視鏡外殼的隨形冷卻水道鑲嵌件采用德國Concept Laser公司的M2型號(hào)SLM金屬3D打印機(jī)打印。其每層鋪粉厚度設(shè)定為0.05mm，選定的激光功率為 200 W，掃描速度設(shè)定為5m/s，光斑直徑為50μm，打印的粉末為特殊供應(yīng)的CL50鋼。

3. 3 冷卻鑲件實(shí)物

圖 12 為含隨形冷卻水道的鑲嵌件 3D 圖，上部分為3D打印的部分，下部分為鋼料底座。圖13為開始加工的鋼料底座，其材質(zhì)為1.2344，線切割外形，周邊預(yù)留0.8 ～ 1mm 余量，中間水井不需留余量，機(jī)加工完畢再熱處理( HＲC48-52) ，頂面磨平并退磁，然后，在其頂面上開始金屬3D打印。

模具的制造

圖 14 為注塑模具一模二腔的動(dòng)模3D圖，箭頭所指的部件為型芯金屬3D打印鑲件。圖15為金屬3D打印的含隨形冷卻水道的鑲嵌件實(shí)物圖。

注塑模具實(shí)物圖如圖16 所示，其中，方框部分為金屬3D 打印的含隨形冷卻水道的鑲嵌件實(shí)物圖。

結(jié)果與討論

圖 17 為采用傳統(tǒng)冷卻水道方案得到的制品實(shí)物圖和采用隨形冷卻水道方案得到的制品實(shí)物圖。

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)冷卻水道方案得到的制品表面刮痕嚴(yán)重，開模時(shí)粘膜嚴(yán)重，而采用隨形冷卻水道得到的制品表面光滑，沒有粘膜。

傳統(tǒng)冷卻水道方案和隨形冷卻水道方案的時(shí)間對(duì)比如表 2 所示。

結(jié)論

以某汽車后視鏡外殼為研究對(duì)象，進(jìn)行注塑模具隨形冷卻水道方案的設(shè)計(jì)，并將其與傳統(tǒng)冷卻水道方案的成型效果對(duì)比， 從而驗(yàn)證隨形冷卻水道方案的優(yōu)化效果。

結(jié)合金屬 3D 打印的成本，汽車后視鏡外殼注塑模具采用傳統(tǒng) CNC 和金屬 3D 打印的復(fù)合技術(shù)，大部分區(qū)域采用 CNC 加工直線型傳統(tǒng)冷卻水道，局部難以冷卻的熱點(diǎn)區(qū)域采用金屬 3D 打印的隨形冷卻水道鑲嵌件進(jìn)行冷卻。用 Moldflow 軟件對(duì)傳統(tǒng)冷卻水道方案與隨形冷卻水道鑲嵌件方案進(jìn)行模流分析，并生 產(chǎn)了含傳統(tǒng)冷卻水道的注塑模具和含隨形冷卻水道鑲嵌件的注 塑模具，并成型得到汽車后視鏡殼實(shí)物。經(jīng)驗(yàn)證，其冷卻效果與Moldflow 模流分析結(jié)果一致，而且，含隨形冷卻水道方案能夠大大縮短冷卻時(shí)間和成型周期。此外，還減少了局部熱點(diǎn)，改善了 制品整體的翹曲變形。

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