(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，武漢 430212)

利用注射成型的方法對塑料原材料進(jìn)行加工成型時(shí)，溫度是成型過程中非常關(guān)鍵的一個(gè)工藝參數(shù)。溫度場的分布情況及變化會直接關(guān)系到制品的表面質(zhì)量和物理機(jī)械性能。模具溫度的高低、變化的快慢都直接影響成型過程能否順利進(jìn)行。調(diào)節(jié)模具溫度的方法是在模內(nèi)開設(shè)冷卻水道，通過調(diào)節(jié)冷卻水道中冷卻液的溫度來實(shí)現(xiàn)對模具溫度的調(diào)節(jié)。

1 冷卻水道的加工方法

傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)，由于冷卻水道的加工方法是采用鉆床鉆孔加工完成，通常是直線形的圓孔，如圖1(a)所示。結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)、加工易完成。但當(dāng)注塑制品的形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，就會造成模具中冷卻水道距型腔表面距離不一致的情形。進(jìn)而導(dǎo)致冷卻不均勻，產(chǎn)生制品翹曲變形等質(zhì)量問題。隨著注射成型工藝不斷精密化、復(fù)雜化，注射模具傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)已越來越不能滿足實(shí)際需求。

圖1傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)和隨形冷卻系統(tǒng)的示意圖

3D打印中的選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)，采用粉末分層堆積制造的成形方法，能夠擺脫常規(guī)方法對于水道加工的諸多限制，使得傳統(tǒng)工藝無法加工的內(nèi)部復(fù)雜的隨形冷卻水道在3D打印工藝技術(shù)下能夠?qū)崿F(xiàn)，如圖1(b)所示。大幅度以提高精密模具的冷卻均勻性和效率。提高模具零件性能和延長模具使用壽命，實(shí)現(xiàn)了模具制造技術(shù)的重大突破。

2 選擇性激光燒結(jié)(SLS)工作原理

3D 打印技術(shù)(增材制造)是基于離散材料逐層堆積成形的原理，依據(jù)產(chǎn)品的三維模型，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、組織細(xì)胞等特殊材料通過一定的方法進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，直接構(gòu)造出實(shí)體的技術(shù)。常見的3D 打印技術(shù)有 SLS (Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結(jié))，SLM(Selective Laser Melting，選擇性激光熔化)，LOM(Laminated Object Manufacturing，分層實(shí)體制造)，F(xiàn)DM(Fused Deposition Modelling，熔融沉積法)，SLA(Stere-olithography，立體光刻技術(shù))等多種加工方式。目前，SLS主要用于金屬制造業(yè)的零件加工成型。其工作原理如圖2所示。

圖2金屬粉末燒結(jié)技術(shù)工作原理

本研究以一個(gè)塑料杯零件為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該零件外形尺寸為60mm×60mm×100mm，壁厚10mm。注塑材料為ABS，設(shè)定收縮率為0.5%，模具采用1模2腔結(jié)構(gòu)。為保證塑件表面質(zhì)量，澆口設(shè)在塑件內(nèi)部邊緣處，受塑件尺寸及進(jìn)料方式的約束，傳統(tǒng)冷卻水道是從塑件的內(nèi)部通過，冷卻效果差，制品質(zhì)量不高。本實(shí)例采用SLS技術(shù)成形模具的隨形冷卻水道。

圖3塑料杯零件結(jié)構(gòu)示意圖

3 隨形冷卻水道工藝分析

在注射模具設(shè)計(jì)開發(fā)中，相關(guān)模具零件的設(shè)計(jì)與制造須結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)與成型工藝分析，特別是涉及溫度調(diào)節(jié)等影響塑件外觀的問題，對型芯等核心零件的要求更高。溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般采用冷卻水道進(jìn)行溫度控制，利用模具零件中冷卻水回路的覆蓋與分布，提高塑件的冷卻速度。傳統(tǒng)的模具冷卻水道如圖4(a)所示，改進(jìn)后的隨形冷卻水道分布如圖4(b)所示。從圖中可以看出，水道形狀為螺旋形、貼近零件壁，并隨零件的形狀改變，水道的轉(zhuǎn)彎處均為圓滑的弧狀，且都處于模具型芯的內(nèi)部，通過鉆孔、車削、銑削等傳統(tǒng)的機(jī)械加工、金屬切削加工方法對其難以進(jìn)行加工，而3D打印技術(shù)可以比較好的實(shí)現(xiàn)。

圖4水道設(shè)計(jì)

模具零件整體或關(guān)鍵區(qū)域的尺寸會直接影響到冷卻水道的設(shè)計(jì)，模具零件過細(xì)或過薄均會影響冷卻水道的設(shè)計(jì)及配件安裝。而部分模具零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，常規(guī)冷卻水道的尺寸、方向等布局均無法達(dá)到滿意的冷卻效果。針對這些問題，傳統(tǒng)思路是采用導(dǎo)熱性能好的鈹銅鑲件替代冷卻水道，緩解局部冷卻的溫控難題，但與冷卻水道相比，鑲件的冷卻效果并不理想，同時(shí)會在塑件表面上留下鑲拼痕跡，影響表面質(zhì)量?？蓪LS成形技術(shù)應(yīng)用于模具制造，用以解決冷卻水道設(shè)計(jì)與制造難題，利用隨形水道替代鑲件，提高冷卻效率，優(yōu)化模具零件冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用SLS技術(shù)成形模具的隨形冷卻水道的工藝過程如圖5所示。

圖53D打印技術(shù)金屬粉末燒結(jié)成形工藝過程

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

3D打印設(shè)備為HRPS-ⅢA型號的激光粉末燒結(jié)快速成型機(jī)，設(shè)備掃描系統(tǒng)為振鏡式動態(tài)聚焦系統(tǒng)，最大掃描速度為4 000mm/s。該系統(tǒng)CO2激光器功率50W，激光功率連續(xù)可調(diào)。其他成形工藝參數(shù)為：掃描間距0.1mm，鋪粉厚度0.1mm。設(shè)備如圖6所示。

圖6實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3D 打印設(shè)備可支持鋁合金、鈦合金、鎳合金及模具鋼等多種材料的打印，成型原材料決定了快速成型的好壞。本實(shí)驗(yàn)采用不銹鋼316L/環(huán)氧樹脂復(fù)合粉末作為粉末原料進(jìn)行模具鑲塊形坯的SLS間接法成形。表1為粉末原料與一般模具鋼的主要力學(xué)性能對比；表2為粉末原料與一般模具鋼的化學(xué)成份對比。由表1和表2可以看出，金屬粉末原料經(jīng)3D 打印成形熱處理后其各項(xiàng)性能與模具鋼差不多。其主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)燒結(jié)后先進(jìn)行機(jī)械加工、再進(jìn)行時(shí)效處理，熱處理工藝簡單；(2)斷裂伸長率小，結(jié)構(gòu)致密，熱處理變形?。?3)機(jī)械加工性能及焊接性能好。

表1 模具材料力學(xué)性能對比

注：以上數(shù)據(jù)為參考使用值。

表2 模具材料化學(xué)成份對比

注：以上數(shù)據(jù)為參考使用值。

5 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)導(dǎo)入CAD 文件到打印設(shè)備：用Pro/E軟件完成模型的三維CAD造型并轉(zhuǎn)化成STL 格式的數(shù)據(jù)文件，再將模型STL格式的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入分層軟件中進(jìn)行分層處理，最后將分層數(shù)據(jù)輸入到SLS設(shè)備成型系統(tǒng)配套的HPRS2002控制軟件中。

(2)擺放零件位置：對模型結(jié)構(gòu)精度、零件強(qiáng)度、材料利用率等問題進(jìn)行綜合考慮來確定零件位置的擺放。由于SLS工藝成形過程中出現(xiàn)的懸空層面可直接由未燒結(jié)的粉末實(shí)現(xiàn)支撐，故無需設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。

(3)分層切片參數(shù)：利用Cure切片軟件將模型分層切片，軟件自動以平行于成型平臺層的方式將零件進(jìn)行切片處理。根據(jù)模型形狀生成不同的路徑，從而生成整個(gè)三維模型的GCode代碼，導(dǎo)出的文件擴(kuò)展名為“.gcode”。對塑件的分層參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，隨后對模型進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算完畢后即可打印。

利用SLS技術(shù)成型模具零件及隨形冷卻水道，塑件的冷卻效果明顯改善。表3為3D打印工藝成型的隨形冷卻水道與傳統(tǒng)加工工藝成型的冷卻水道的注射成型效果對比，3D打印隨形冷卻水道的應(yīng)用使得冷卻時(shí)間由28s縮短至16s，成型周期由45s縮短至33s，最終塑件的變形量由0.16mm降至0.04mm，塑件成型質(zhì)量較高。

表3 3D打印工藝與傳統(tǒng)工藝注射成型效果對比

6 結(jié) 論

由于傳統(tǒng)的加工方法無法制造出復(fù)雜的隨形水道，目前主要通過金屬3D打印技術(shù)制造，本實(shí)例采用不銹鋼316L/環(huán)氧樹脂復(fù)合粉末為成形原料, 經(jīng)高溫?zé)Y(jié)可制造出具有隨形冷卻水道的注射模具型芯零件。通過模型設(shè)計(jì)，借助于實(shí)體模型，對兩種制造工藝下獲得的注射模具冷卻系統(tǒng)效果進(jìn)行比較，3D打印技術(shù)的應(yīng)用，大大縮短了模具的注塑周期，提高了注塑效率，也提高了塑料件的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了加工材料的零浪費(fèi)，為后續(xù)模具設(shè)計(jì)與制造提供了思路。

[1] 伍志剛. 隨形冷卻注塑模的設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 華中科技大學(xué)，2007.

[2] 劉錦輝,史玉升,陳繼兵.具有內(nèi)置隨形冷卻水道的注塑模具快速制造[J].粉末冶金技術(shù)，2008.10.

[3] 李 芳,伍世鋒,賈宇霖.3D打印技術(shù)在注射模設(shè)計(jì)隨形水路中的應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2017(43).