周艷文，鄒功成，高 超，黃如周，謝 亮

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

空調(diào)內(nèi)機(jī)面板是整機(jī)的主要外觀面，一般都有顯示區(qū)域。顯示區(qū)域一般分為2種：①有局部顯示減薄區(qū)域不需噴涂、使用HIPS材料成型的高光款面板；②有顯示區(qū)域但沒有局部減薄區(qū)域需要噴涂、使用透明ABS或PC材料成型的噴涂款面板。為保證空調(diào)面板的外觀質(zhì)量，面板主體壁厚為2.4～3.0 mm，而顯示區(qū)域局部壁厚也是2種：不噴涂的面板壁厚1.30+0.25mm；噴涂的面板壁厚（2.4～3.0）-0.1+0.1mm，與主體壁厚保持一致。免噴涂款面板局部顯示減薄區(qū)域注射成型時(shí)容易產(chǎn)生鼓包或下塌，長(zhǎng)度水平方向兩邊鼓包或下塌較顯著。高光款面板有局部顯示減薄區(qū)域采用倒裝模具成型，澆注系統(tǒng)采用針閥時(shí)序熱流道，有局部顯示減薄區(qū)域附近必須設(shè)有3個(gè)針閥熱噴嘴進(jìn)料，避免因快速注射成型導(dǎo)致局部顯示減薄區(qū)排氣困難而造成空調(diào)面板顯示區(qū)域的質(zhì)量問題。

1 空調(diào)面板透光顯示減薄區(qū)域

目前3D打印的模具零件在隨形冷卻方面有著良好的效果?，F(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)通常在排氣困難區(qū)域增加排氣鋼鑲件進(jìn)行排氣。排氣鋼具有良好的排氣性能，但排氣鋼存在硬度低、冷卻性能差、成本高、微孔易堵塞等缺點(diǎn)。

現(xiàn)采用3D打印技術(shù)開發(fā)了仿生鋼，仿生鋼加工制造的模具零件融合了隨形冷卻和排氣鋼的優(yōu)勢(shì)，還規(guī)避了3D打印零件和排氣鋼的缺點(diǎn)。

以某高光款空調(diào)面板為例，如圖1所示，面板的外形尺寸為961.9 mm×266.2 mm×79.6 mm，主體壁厚為2.4 mm，面板透光顯示區(qū)域的過度減薄區(qū)域，最薄區(qū)域的尺寸為150 mm×58 mm，最薄壁厚為1.3 mm。

圖1 空調(diào)面板網(wǎng)絡(luò)厚度診斷

面板體積：883 cm3，投影面積：2 527 cm2。高光免噴涂款面板材料采用HIPS，引進(jìn)高光蒸氣機(jī)輔助設(shè)備，可消除面板外觀上的熔接痕，采用針閥熱流道倒裝模具，澆口設(shè)置在面板內(nèi)壁上，6點(diǎn)時(shí)序控制進(jìn)料，如圖2所示，G1、G2、G3熱噴嘴為第一組，同時(shí)進(jìn)料；G4、G5、G6熱噴嘴為第二組，延時(shí)1.2 s進(jìn)料。

圖2 空調(diào)面板針閥熱流道

在顯示減薄區(qū)域附近設(shè)置3個(gè)進(jìn)料口，分別是G4、G5、G6熱噴嘴，同時(shí)開啟進(jìn)料，確保模具型腔快速完成填充，但在減薄區(qū)域排氣困難，如圖3所示。

圖3 空調(diào)面板減薄區(qū)域排氣困難區(qū)域

1.1 空調(diào)面板現(xiàn)有模具增加排氣片結(jié)構(gòu)

為解決面板減薄區(qū)域表面鼓包不平、排氣困難等問題，模具在成型面板減薄區(qū)設(shè)置多個(gè)排氣片，在每個(gè)排氣片的側(cè)面和底部開設(shè)排氣槽，所有排氣片用銷釘串聯(lián)，所有排氣槽開設(shè)在同一條線上利用氣道排氣，解決排氣問題。模具中排氣片采用陣列排布，用φ4～φ6 mm的銷釘串聯(lián)定位和4～6個(gè)M4螺釘固定，排氣片組件兩端和中間區(qū)域的排氣片寬8 mm并設(shè)有M4螺釘孔。所有排氣片組合裝配在一起形成排氣片組件，排氣片組件底部中間設(shè)計(jì)寬8～10 mm、深0.5 mm的排氣連接槽，如圖4所示。

圖4 排氣片組件

排氣片寬4 mm，其排氣槽寬4～6 mm，深0.5 mm，間隙10～20 mm，排氣片封料處的排氣槽深0.02～0.05 mm，在排氣片的底部設(shè)計(jì)高5 mm的排氣連接槽，如圖5所示。

圖5 排氣鑲件

每個(gè)面的排氣槽都必須設(shè)計(jì)連接槽，再通過排氣孔連接到模具外，不能用零件的C角作為排氣槽，如圖6所示。

圖6 排氣槽

在排氣片的外周設(shè)計(jì)排氣鑲件，排氣片部件裝配緊固在排氣鑲件內(nèi)，排氣片和排氣鑲件組合構(gòu)成排氣組件，如圖7所示。在排氣鑲件內(nèi)設(shè)計(jì)冷卻水道，此水道需單獨(dú)供水以保持模具恒溫，加快熔料的流速，減少熔接痕和排氣困難現(xiàn)象。為使現(xiàn)場(chǎng)工作人員快速清楚排氣孔的位置和作用，應(yīng)在排氣孔附近刻上“清理排氣用”的標(biāo)示，如圖8所示。

圖7 排氣組件

圖8 排氣標(biāo)示

根據(jù)需求將排氣槽優(yōu)化成易清潔結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)過程中遇到排氣不良時(shí)能快速清理排氣槽，還可在不拆模具的情況下清理，可有效保證生產(chǎn)和提高模具的生產(chǎn)效率，如圖9所示。

圖9 排氣槽氣體流動(dòng)

1.2 空調(diào)面板3D打印模具結(jié)構(gòu)

新型3D打印方案采用3D打印技術(shù)制造多層仿生鋼，主要由基層、冷卻層、增壓層、角質(zhì)層組成，如圖10所示?；鶎硬捎闷胀ǖ?38H模具鋼，也可使用P20、45鋼等。

圖10 仿生鋼截面

仿生鋼上設(shè)有緊固螺釘、進(jìn)出水孔、進(jìn)氣孔。冷卻層通過3D打印熔覆在基層上，冷卻層的主要作用是使模具內(nèi)部的熱能通過蒸汽、水或油等介質(zhì)進(jìn)行交換，冷卻或加熱整個(gè)透氣裝置，進(jìn)出水孔連接基層的隨形水道增加冷卻或加熱的范圍，充分冷卻或加熱透氣裝置，提高冷卻或加熱效率，實(shí)現(xiàn)透氣裝置的溫度調(diào)節(jié)，冷卻層進(jìn)氣孔連接基層的進(jìn)氣孔起到過渡作用。

增壓層可以將產(chǎn)生的微粒異物排出，避免透氣裝置堵塞，另外，增壓層上面連通角質(zhì)層，下面連接基層和冷卻層，達(dá)到透氣效果。增壓層由多組氣道組成，一級(jí)氣道的作用是連通基層和冷卻層通入的氣體，也是增壓層的進(jìn)氣孔；二級(jí)氣道串聯(lián)所有的三級(jí)氣道，使所有三級(jí)氣道同時(shí)通氣；三級(jí)氣道將微孔中存有的微粒傳送到異物排泄孔，防止氣孔堵塞。一級(jí)氣道的直徑大于二級(jí)氣道，二級(jí)氣道由2條氣道組成，每條二級(jí)氣道只有1個(gè)異物排泄口，其2條氣道之間的異物排泄口成斜對(duì)角布置，確保氣體從一級(jí)氣道進(jìn)入二級(jí)氣道時(shí)2條氣道中的異物同時(shí)排出。2條二級(jí)氣道連接三級(jí)氣道的首尾，二級(jí)氣道橫向分布，三級(jí)氣道縱向分布，二級(jí)氣道和三級(jí)氣道之間成垂直分布，二級(jí)氣道的直徑大于三級(jí)氣道，三級(jí)氣道由多條氣道組成，如圖11所示。

圖11 氣道系統(tǒng)

角質(zhì)層的厚度為2～3 mm，角質(zhì)層上有尺寸漸變的微孔，微孔直徑根據(jù)成型塑件材質(zhì)決定，注射成型材料的溢料值不同，微孔直徑也不同，一般為0.03～0.05 mm。角質(zhì)層上表面接觸成型塑件，注射時(shí)氣體首先通過角質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)氣體交換效果。

冷卻系統(tǒng)由進(jìn)出水口和3個(gè)級(jí)別的水道組成，如圖12所示。一級(jí)水道直接連接進(jìn)出水口，一級(jí)水道直徑大，采用現(xiàn)有的深孔加工方式；二級(jí)水道為曲面隨形水道，直徑比一級(jí)水道直徑小，采用3D打印增材制造；三級(jí)水道為毛細(xì)水道，均勻分布在二級(jí)水道上，直徑比二級(jí)水道更小，也采用3D打印增材制造。三級(jí)水道更加貼近模具分型面，使模具充分冷卻，改善冷卻效果，解決面板局部顯示減薄區(qū)域表面鼓包或下塌不平等質(zhì)量問題。

圖12 冷卻系統(tǒng)

仿生鋼結(jié)構(gòu)和模板之間采用螺釘固定，間隙配合。為防止漏水，仿生鋼結(jié)構(gòu)水道和模板之間需要采用密封圈密封，但氣道之間不需要采用密封圈。在模板中設(shè)計(jì)氣道和水道與仿生鋼結(jié)構(gòu)中的氣道及水道相連通，保證連通后氣道及水道順暢。三級(jí)水道和三級(jí)氣道均勻間隔分布，一排三級(jí)水道相隔另一排三級(jí)氣道，如圖13所示。

圖13 仿生鋼結(jié)構(gòu)

2 基于Moldflow仿真分析

首先對(duì)面板進(jìn)行網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置，采用雙層面網(wǎng)格類型，網(wǎng)絡(luò)單元采用三角形。曲面上的全局邊長(zhǎng)為8 mm，該面板雙層面網(wǎng)絡(luò)共有94 033個(gè)，如圖14所示。

圖14 網(wǎng)格參數(shù)

現(xiàn)有排氣片結(jié)構(gòu)的冷卻分析如圖15所示，面板減薄區(qū)域的表面溫度最高溫度為89.87℃，最低溫度為84.04℃。減薄區(qū)域的冷卻水為單獨(dú)連接供水，方便調(diào)節(jié)模具溫度及成型塑件溫度。多層仿生鋼結(jié)構(gòu)冷卻分析如圖16所示，面板減薄區(qū)域表面溫度最高溫度為78.34℃，最低溫度為69.38℃。經(jīng)過對(duì)比分析，多層仿生結(jié)構(gòu)面板減薄區(qū)域表面最高溫度比現(xiàn)有排氣片結(jié)構(gòu)面板低11.53℃，前者最低溫度比后者低14.66℃，故仿生結(jié)構(gòu)面板冷卻時(shí)間更短，成型效率更高。

圖15 現(xiàn)有排氣片結(jié)構(gòu)面板溫度分析

圖16 多層仿生鋼結(jié)構(gòu)面板溫度分析

仿真分析模具溫度如圖17所示，排氣片結(jié)構(gòu)冷卻的最高模具溫度為85.83℃，最低溫度為82.98℃。根據(jù)分析得出多層仿生結(jié)構(gòu)減薄區(qū)域的最高模具溫度為73.08℃，降低12.75℃；最低溫度為67.96℃，降低15.02℃。

圖17 模具溫度對(duì)比

空調(diào)面板一般為長(zhǎng)方形、曲面平板類塑件，重點(diǎn)分析面板透光顯示減薄區(qū)域的翹曲變形，變形仿真分析結(jié)果如圖18所示，排氣片冷卻結(jié)構(gòu)顯示減薄區(qū)域總體翹曲變形量最大值為2.389 mm，最小值為0.869 8 mm；多層仿生鋼冷卻結(jié)構(gòu)顯示減薄區(qū)域總體翹曲變形量最大值為1.703 mm，最小值為0.930 8 mm；翹曲變形主要發(fā)生在顯示減薄區(qū)域的邊緣。經(jīng)過對(duì)比分析，排氣片冷卻結(jié)構(gòu)面板顯示減薄區(qū)域翹曲變形量極差為1.519 2 mm，多層仿生鋼冷卻結(jié)構(gòu)面板顯示減薄區(qū)域翹曲變形量極差為0.772 2 mm，減少了0.747 mm。

圖18 變形對(duì)比

綜上所述，面板減薄區(qū)域表面鼓包不平改善明顯，多層仿生結(jié)構(gòu)面板表面變形量相對(duì)較小，面板尺寸改善明顯?？照{(diào)面板實(shí)物如圖19所示，外觀質(zhì)量得到顯著提升，通過試模和生產(chǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證面板外觀效果滿足公司質(zhì)量管理要求及客戶需求。

圖19 空調(diào)面板實(shí)物

3 結(jié)束語

綜上所述，無論是在現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加排氣槽，還是采用3D打印技術(shù)制造的仿生鋼，都可以解決大部分模具中氣體排放異常導(dǎo)致的缺陷問題。但相對(duì)于增加排氣片排氣方式，利用仿生鋼特有的物理屬性和獨(dú)有的結(jié)構(gòu)功能在解決缺陷問題時(shí)，也解決了局部顯示減薄區(qū)域排氣組件鉗工現(xiàn)場(chǎng)組裝復(fù)雜、不便于安裝與維修的問題。由多個(gè)模具零件轉(zhuǎn)化為單一模具零件，不僅提高模具組裝效率，還便于運(yùn)輸和生產(chǎn)，更提高了成型塑件外觀質(zhì)量。通過實(shí)踐證明：新型3D打印方案可以滿足不同模具的生產(chǎn)需求，并在不同的模具品類上具有應(yīng)用和推廣價(jià)值。