張維合 馮國(guó)樹(shù) 宋東陽(yáng) 杜海 王靖 魏海濤

(1.廣東科技學(xué)院，廣東 東莞，523000；2.廣東華睿智連電子科技有限公司，廣東 東莞，523777)

3D打印是一種綠色環(huán)保的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)化增材制造技術(shù)，3D打印在模具領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大意義。由于鉆削工藝和成型塑件形狀的限制，傳統(tǒng)的注塑模具冷卻水路很難做到均勻冷卻和快速冷卻。基于3D打印的隨形水路是一種新型模具冷卻水路，其截面形狀和分布能夠更貼近模具型腔表面，達(dá)到更好的熱傳導(dǎo)作用，有效均衡模具溫度和提高制品質(zhì)量[1]。下面通過(guò)汽車多功能旋鈕(以下簡(jiǎn)稱旋鈕)注塑模具隨形水路溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了3D打印隨形水路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和技巧。

1 汽車旋鈕結(jié)構(gòu)分析

圖1為豐田汽車旋鈕和裝配示意。

原材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)(PA-777B，臺(tái)灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司)，具有優(yōu)異的耐熱性和高抗沖擊性能。塑件尺寸小但內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度不低于MT3(GB/T 14486—2008)，要求很高，成型零件中冷卻水道的設(shè)計(jì)是難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2 傳統(tǒng)旋鈕注塑模具冷卻水道

由于常規(guī)鉆削加工工藝的限制，傳統(tǒng)冷卻水路只能為圓柱形直孔，無(wú)法完全貼近模具型腔表面，冷卻效率低且冷卻不均衡，導(dǎo)致注塑周期長(zhǎng)、成型制品變形量大。

為了提高冷卻效率，汽車旋鈕注塑模具溫度控制系統(tǒng)通常采用如下方案(如圖2所示)：a) 采用強(qiáng)化的冷卻水路設(shè)計(jì)方案，增加模具零件中冷卻回路的密集程度或覆蓋率；b)采用導(dǎo)熱性能良好的鈹銅(Be-Cu)鑲件替代冷卻水路[2]。

強(qiáng)化冷卻水路設(shè)計(jì)方案對(duì)模具零件形狀和模具零件重點(diǎn)區(qū)域的尺寸都有要求，如果模具零件太小，會(huì)影響冷卻水路的尺寸和模具裝配。汽車多功能旋鈕零件形狀奇特，利用常規(guī)的直通式等截面冷卻水路無(wú)論是形態(tài)、尺寸還是位置均無(wú)法達(dá)到滿意的冷卻效果。Be-Cu鑲件剛性和強(qiáng)度無(wú)法和優(yōu)良的模具鋼媲美，會(huì)影響模具壽命，其冷卻效果也有限。

由于溫度控制系統(tǒng)無(wú)法做到均衡冷卻和快速冷卻，成型零件溫差高達(dá)20 ℃左右，塑件脫模后有明顯變形，尺寸精度只能達(dá)到MT5(GB/T 14486—2008)，注塑周期最短為25 s，生產(chǎn)效率低。

3 汽車旋鈕注塑模具3D打印隨形水路

為了提高汽車旋鈕的尺寸精度和模具的生產(chǎn)效率，采用了基于3D打印的隨形水路技術(shù)，即模具的成型零件采用3D打印。由于其內(nèi)部水路截面和流向幾乎不受任何加工工藝限制，故水路分布可以更貼近成型制品表面，達(dá)到更好的熱傳導(dǎo)效果，實(shí)現(xiàn)均衡模具溫度和提高制品精度的目的。3D打印的隨形水路如圖3所示，定模鑲件隨形水路直徑為4 mm，沿型腔表面布置，動(dòng)模型芯則采用4 mm×2 mm橢圓截面隨形水路，沿型芯表面布置[3]。

采用3D打印隨形水路后，汽車旋鈕注塑模成型周期由25 s降至13 s；模具鑲件溫差由20 ℃降至5 ℃。說(shuō)明3D打印隨形水路具有良好的冷卻效果。成型塑件變形量由0.35 mm減至0.10 mm，尺寸精度達(dá)到了MT3。

優(yōu)異的冷卻效果顯著減少了剪切熱效應(yīng)，可以一模生產(chǎn)更多塑件而不會(huì)變形。為了保證成型塑件質(zhì)量，傳統(tǒng)汽車旋鈕注塑模具僅能實(shí)現(xiàn)一模四腔，繼續(xù)增加型腔數(shù)量會(huì)因冷卻不良等問(wèn)題導(dǎo)致制品嚴(yán)重變形。采用3D打印隨形水路后，可以增至一模十六腔，而且注塑周期大幅縮短，其綜合產(chǎn)能可提高約5倍以上。同時(shí)，汽車旋鈕注塑模3D打印隨形水路的成功應(yīng)用為今后設(shè)計(jì)其他精密塑件注塑模具提供了經(jīng)驗(yàn)。

4 汽車旋鈕注塑模具3D打印隨形水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3D打印隨形水路設(shè)計(jì)很重要，關(guān)乎制得的注塑模具質(zhì)量高低。要點(diǎn)如下：

a) 水路與型腔之間的距離

冷卻水路與模具型腔表面的距離沒(méi)有一個(gè)確定的數(shù)值。對(duì)于大多數(shù)隨形冷卻水路來(lái)說(shuō)，與模具型腔表面的距離取決于零件的大小和幾何形狀。一個(gè)需要遵守的原則是：隨形水路與模具型腔表面始終保持相同的距離，達(dá)到均勻冷卻的效果。

為了兼顧冷卻效果和模具的強(qiáng)度及使用壽命，汽車旋鈕注塑模具3D打印隨形水路水孔與型腔和型芯表面距離(M和N)約為3 mm，距內(nèi)部頂針孔或螺孔約為2 mm[4]，如圖4所示。

b) 截面的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的冷卻水路受機(jī)械加工工藝限制，一般設(shè)計(jì)成圓形截面。3D打印隨形水路截面則不受限制，可以根據(jù)型腔和型芯形狀設(shè)計(jì)成圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形、U字形等。不同的橫截面形狀對(duì)模具強(qiáng)度的影響不同，橫截面形狀越接近圓形的水路，對(duì)成型零件的強(qiáng)度影響越小，采用圓弧形水路的鑲件強(qiáng)度大于采用橢圓形或方形的鑲件；長(zhǎng)方形截面水路的長(zhǎng)邊側(cè)對(duì)鑲件強(qiáng)度影響要大于寬邊側(cè)。為保證模具的壽命，鑲件水路長(zhǎng)邊側(cè)的厚度(B)要大于寬邊側(cè)厚度(A)[5]，如圖5所示。

需要注意的是，在設(shè)計(jì)3D打印隨形冷卻水路時(shí)，應(yīng)盡量保持水路的橫截面積不變，保證冷卻介質(zhì)流速大致恒定不變。有的隨形冷卻水路按照毛細(xì)管的思路設(shè)計(jì)，即一條大的冷卻水路被分為多條小而短的水路，然后再匯入一條大的水路。這時(shí)，多條小水路的橫截面積總和應(yīng)大致等于大水路入口和出口的橫截面積，從而確保各處冷卻水的流速和阻力大致相等，降低成型塑件翹曲變形的風(fēng)險(xiǎn)。

c) 避免出現(xiàn)死水區(qū)域

模具冷卻水路中的水量影響模具冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短，水量越大，冷卻時(shí)間越短。另一個(gè)影響因素是冷卻水的流動(dòng)狀態(tài)：湍流有利于熱量傳出，層流則不利于熱量傳出。3D打印隨形冷卻水路的內(nèi)表面沒(méi)有經(jīng)過(guò)拋光，容易產(chǎn)生湍流，而且在設(shè)計(jì)隨形水路時(shí)再多增加拐彎結(jié)構(gòu)，雷諾系數(shù)更大，可以產(chǎn)生更多湍流，冷卻效果更好；但應(yīng)避免直角或過(guò)急拐彎，因?yàn)橹苯腔蜻^(guò)急拐彎處會(huì)產(chǎn)生死水區(qū)域，如圖6所示。

d) 長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

受限于鉆頭的長(zhǎng)度、加工工藝和冷卻效果，傳統(tǒng)的水路長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，冷卻水路越短，冷卻效果越好。利用3D打印技術(shù)制造隨形冷卻水路，雖然不受鉆頭和加工工藝等影響，但是在設(shè)計(jì)時(shí)仍要控制隨形水路的長(zhǎng)度，使冷卻水迅速進(jìn)出，并控制冷卻水出入口的溫差為2～3 ℃，保證模具各處溫度更均勻[6]。

汽車旋鈕注塑模具隨形水路形狀復(fù)雜，彎曲環(huán)繞的水路清理困難，易堵塞，因此，使用3D打印隨形水路時(shí)要注意保養(yǎng)，防患于未然，避免水路堵塞。如果直接使用工廠水塔里的冷卻水，堵塞風(fēng)險(xiǎn)較高，必須使用3D打印隨形水路專用模溫機(jī)，模溫機(jī)外掛水箱閉路循環(huán)。如果水路堵塞，使用隨形水路專用清洗設(shè)備進(jìn)行清洗，如果使用鐵棒疏通，極易導(dǎo)致型腔表面變形而損壞模具。

5 汽車旋鈕注塑模具3D打印鑲件材料選用

汽車旋鈕注塑模隨形水路由選區(qū)激光熔化并采用立體光固化成型技術(shù)(SLADLP)3D打印獲得，模具鑲件材料采用1.2709模具鋼(又稱MS1)。1.2709模具鋼是馬氏體時(shí)效鋼，主要優(yōu)點(diǎn)有：a) 熱處理變形?。籦) 加工性能及焊接性能好；c) 熱處理工藝簡(jiǎn)單方便，固熔后先進(jìn)行機(jī)械加工再進(jìn)行時(shí)效處理。表1為1.2709模具鋼與一般模具鋼(1.2311和1.2738)的主要力學(xué)性能。由表1可以看出，1.2709金屬粉末經(jīng)3D打印成型熱處理后，其各項(xiàng)性能與模具鋼相當(dāng)。

表1 模具鑲件材料的力學(xué)性能

6 隨形水路對(duì)模具壽命的影響

與傳統(tǒng)水路相比，隨形水路具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但以下2點(diǎn)會(huì)降低模具壽命：a) 復(fù)雜的水路會(huì)降低零件的剛性；b) 冷卻水中沉積物和鐵銹在形狀復(fù)雜的冷卻通道中容易積聚，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水路開(kāi)裂漏水[7-11]。比如：以1.2709模具鋼為原料，通過(guò)3D打印制造的型芯，在生產(chǎn)了40萬(wàn)個(gè)塑件之后，由于冷卻通道腐蝕，會(huì)破裂漏水。解決的辦法有：a) 設(shè)計(jì)時(shí)加大尺寸，提高3D打印零件的強(qiáng)度和剛性；b) 使用專用模溫機(jī)對(duì)冷卻水進(jìn)行過(guò)濾處理，減少異物在冷卻通道中積聚；c) 在冷卻通道中鍍鎳，防止腐蝕發(fā)生；d) 3D打印時(shí)多做1～2個(gè)零件庫(kù)存，出現(xiàn)問(wèn)題后立即更換；e) 采用更好的3D打印材料，奧地利聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)旗下的材料制造商開(kāi)發(fā)了一款耐腐蝕的3D打印模制鋼粉末材料Uddeholm AM Corrax，該材料可以防止冷卻通道中沉積物堆積，防止腐蝕[12]。

7 結(jié)語(yǔ)

3D打印的模具隨形水路優(yōu)點(diǎn)很多，汽車旋鈕注塑模具采用3D打印隨形水路取得了巨大成功，冷卻時(shí)間大幅縮短，模具鑲件溫差顯著降低，成型塑件的尺寸精度達(dá)到了MT3，模具型腔可以達(dá)到一模十六腔，綜合產(chǎn)能大幅提高。