3D打印技术下塑料模具制造技术研究

2020-05-06陈瑞兵

中国新技术新产品 2020年5期

陈瑞兵

（东莞理工学校，广东东莞 523000）

由于传统的塑料模具冷却方式往往是通过水来实现，这使得塑料模具的质量会受到冷却方式的直接影响，传统的冷却水道是直线型的。水道加工往往是采用钻孔的方式进行操作的，塑料模具内部的水道分布、直径以及水道的数量都会对模具的质量产生直接的影响。

1 3D打印技术在模具制造中的应用

3D 打印技术主要是通过逆向思维的方式进行模具生产，通过3D 打印技术能够解决模具在加工过程中的母模问题，并且能够直接缩短模具生产的时间周期。3D 打印技术可以与传统模具生产技术有机结合、发挥优势，更好地完成模具的生产工作。3D 打印主要分为3D 建模、模型分层和打印3 个环节。3D 建模的质量对于后续产品的大规模生产有着非常重要的影响，利用3D 打印技术能够在三维空间上确定物体的各项参数，确保模具的空间坐标，从而使模具的形状符合最终产品生产的需求。模型分层主要是利用3D 打印软件将模具自动分为很多层，并在每一层储存相关的数据信息，分层数量越多，则产品的精度越高，但是也会导致产品的生产速度降低[1]。在最后打印这一环节，3D 打印机能够自动按照所设定的程序读取数据信息，最终实现3D 打印粉末成型，生产出符合要求的模具。

2 直线型冷却与随形冷却技术的对比分析

传统的直线冷却水道与随形冷却水道的外观有着明显的不同，这是由于直线冷却系统无法随着型腔的变化而变化，这使得直线型冷却水道与塑料的直线距离不尽相同，所以对塑料的冷却效果也就有着较大的差异。这是传统冷却水道无法规避的问题。而随形冷却水道能够紧密地贴紧塑料腔外表，所以水道的形状可以随着塑料的形状发生改变，水道与塑料管件的直线距离能够保持固定，所以使得塑料件能够均匀的冷却，从而使得塑料管件的冷却效率较高[2]。直线型疏导的加工方式一般需要经过切割和钻孔等方式进行加工，这使得管道的加工难度相对较大，对施工工人的技术要求较高，但是这种直线型水道的冷却效率却相对较低。随形隧道主要是通过3D 打印技术进行加工，工人只需要按照操作步骤进行施工即可，大大降低了施工的难度。随形冷却水道能够更好地控制塑料模具的温度，一旦冷却液的温度发生改变，型腔表面的温度能够在很短的时间内降低至与冷却液的温度接近。所以随形冷却水道不仅能够极大地缩短冷却的时间，还能够更好地控制塑料模具的精度。如图1 所示，直线冷却系统对于模具型芯、型腔的要求较高，一旦型芯、型腔相对复杂，会导致模具制造的难度非常大，冷却水的流向也非常复杂，这就需要进行大量的钻孔操作。随形水道中的冷却水对模具进行冷却的时候，不会出现由于模具内部结构复杂情况而导致冷却不均匀的现象，所以能够满足复杂的型芯、型腔模具冷却要求。

图1 直线冷却系统与随形冷却系统结构图

3 基于选择性激光烧结（SLS）技术的随形冷却水道塑料模制造技术

3.1 产品及模具分析

在使用3D 打印技术之前，需要对模具进行简单的分析，确保选用合适的方式进行加工。以水杯为例，由于水杯造型相对简单，分型相对容易，所以可以作为随形冷却水道的案例。内置的冷却水道成型零件可以分为2 个部分，一个是型腔，一个是型芯，分别固定在定模板以及动模板上。冷却水道就被设计在型腔和型芯内部。

3.2 冷却水道分析

3.2.1 直线型水道

直线型水道采用通孔+堵孔的方式进行设计，但是由于型芯的结构相对较小，所以在采用直线型冷却水道时难度相对较大，可以采用隔板式的冷却方式。

3.2.2 随形水道

型腔的随形水道可以采用平行的新型环方式，型芯的随形水道则采用螺旋线方式，要确保所使用的水道直径需要大于6 mm，水道边缘与距离需要大于5 mm。

3.3 冷却水道型芯、型腔的加工及调试

随形冷却水道可以通过SLM（选择性激光熔化）、3DP（3D 打印）、SLS（选择性激光烧结）加工，如果是型腔和型芯的体积相对较大，则采用3D 打印技术的成本更为昂贵，所以不适合采用SLM、3DP 方式进行加工，SLS 也不适用于直接加工型腔和型芯，SLS 只适合加工砂型模。所以在面对体积较大的型腔和型芯，需要首先设计型腔和型芯的砂型模。

如图2 所示，砂型模拆开单独打印主要是为了添加支撑和清砂，添加支撑的主要目的是使随形冷却水道的强度不断增强，提高3D 打印的成功率。所以在铸造前需要将添加的支撑去掉，避免对随形冷却水道产生影响。在完成砂型模打印以后，由于砂型模的硬度和强度暂时无法满足要求，所以需要对砂型模进行物理烘烤处理，确保砂型模的强度和硬度满足要求。在完成砂型模的生产后，需要对砂型模进行铸造和精加工。首先将铸钢材质液体沿着角落慢慢导入砂型模的内部，等到液体的铸钢材质转变为固态以后，将砂型模打碎，确保能够得到所需要的型腔和型芯铸件。由于砂型模所制造出来的模具外表和精度相对粗糙，并且设计时给精加工预留了一定的加工尺寸，所以无法直接运用到实际的工艺制作中，需要对模具进行精加工，确保模具的精度和表面满足要求。

4 基于SLS技术的CCC塑料模制造技术

4.1 产品及模具分析

选取心形杯子为例，通过对该产品进行分析可知，该产品的结构相对简单，可以作为随行水道模具制造的代表进行分析。其内置的冷却水道可以拆分成为2 个零件，分别是型腔和型芯，分别将型腔和型芯固定在固定的模板和活动的模板中，冷却水道就被设计在这2 个型芯和型腔内部。

4.2 冷却水道分析

在设计型腔直线型水道时，主要采用打孔和堵孔的方式，由于型芯的内部构造相对较小，在型芯内部设计出纵横交错的直线型冷却水道的难度较大，所以在实际的设计过程中主要采用了隔板的方式。由于型腔的随形水道采用了很多在空间结构上相互平行的心型环的方式，所以型芯的随形水道则采用了螺旋线的方式，确保随形水道的直径能够超过0.6 cm，水道的边缘与模型的直线距离能够超过0.5 cm。

4.3 冷却水道型芯、型腔的加工及调试

如果将砂型模直接打印出来，会导致砂型模内部没有支撑，没有内部支撑的砂型模可能无法满足强度的要求。所以在铸造型腔的时候，需要将砂型模去掉，避免其对冷却水道的结构产生影响。在通过3D 打印技术打印完成砂型模以后，需要对砂型模进行烘烤，确保砂型模的强度以及硬度能够满足实际生产的需求。最后工作人员再将铝合金液体注入砂型模的内部，确保铝合金液体在凝固后降低到合理的温度，再将砂型模打碎，这样就可以得到对应的型腔以及型芯铝合金铸件。

4.4 基于3D技术的塑料模制造技术分析

首先利用CAD 软件构建模型，对铸造模具进行工艺分析，设计出浇注系统和水出口，确定水道芯的凝固收缩参数，然后依照产品模型的收缩参数和尺寸，构建完成水道芯和模具型腔的CAD 模型。为了避免受水道芯的阶梯效应的影响，可以选定合理的模型进行分层分析，最终导出可以供3D 打印机识别的代码。3D 打印机可以依据加工的识别码，扫描出水道芯的每一层截面，直到能够加工出符合要求的型腔物理模型。随后再对打印砂型进行加热处理，确保砂型模成型。然后对成型的砂型模的表面进行打磨，并且涂抹防火材料进行重力浇注得到模具的毛坯。最后对所得到的模具毛坯进行表面强化处理。