基于3D打印的隨形冷卻注塑模具
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2016-04-01
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注塑成型，使得生活中的塑料制品可以獲得復雜的形狀和復雜的細節，在保持穩定的公差范圍內，并保持高質量的產品表面情況下，實現批量化的生產。
對于模具制造商來說，由于模具的質量直接決定了注塑生產效率，并決定產品質量，從而決定產品附加值，所以，如何在最小周期時間內高效冷卻塑料產品，成為隨形冷卻模具設計與制造過程中關鍵的考量因素，而冷卻在這其間扮演了重要的角色。
一、隨形冷卻擺脫傳統方式的制約
隨形冷卻的原理是，在一個統一連續的方式下快速地降低塑件的溫度。注塑件不能在冷卻過程中從模具中取出，直到冷卻充分，然后，從模具中取出注塑件。任何熱點都會延遲注塑件的注塑周期，可能會導致脫模后注塑件的翹曲和凹陷，并可能損害塑件表面的質量。
快速冷卻是通過冷卻液在模具內的通道流過，將注塑件的熱量帶走，這種冷卻效果的速度和均勻性是由流體通道以及冷卻流體通過它的速度來決定的。
傳統的模具內冷卻通道是通過二次加工來實現的。通過交叉鉆孔，產生直線管的內部網絡，通過內置流體插頭來調整流速和方向，這種方法有其局限性，水路網絡的形狀是有限的，所以，冷卻通道離模具的表面遠，使得冷卻效率低。不僅如此，還不得不面對額外的加工和裝配時間，以及盲點的渠道網絡可能被堵塞的風險。而且，在復雜的情況下，為了預留冷卻通道的加工，模具還需要被切分成幾個部分來制造，然后再拼接成一整塊模具，這導致了額外的制造環節，并且還會縮短模具的壽命。
隨形冷卻方式與傳統冷卻方式的區別在于，其冷卻水道的形狀隨著注塑制品的外形變化，不再是直線狀的，如圖1所示。這種冷卻水道很好地解決了傳統冷卻水道與模具型腔表面距離不一致的問題，可以使得注塑制品得到均勻的冷卻，冷卻效率更高。
二、3D打印制造
3D打印制造使人們擺脫了交叉鉆孔的限制。現在，可以設計內部通道更靠近模具的冷卻表面，并具有平滑的角落，更快的流量，增加熱量轉移到冷卻液的效率；還可以根據冷卻要求設計不同的冷卻回路，旨在以一致的速度進行散熱，以促進散熱的均勻性。冷卻液通過量對模具的冷卻速度至關重要。必須設計光滑的角落，以減少沿通道的壓力損失。
金屬粉末選擇性熔化3D打印技術，在直徑小至1.4毫米的冷卻通道亦可以生產。鋪粉的3D打印制造技術的一個有益的好處是，粉末熔化帶來輕微紋理的表面，這種紋理結構增加了冷卻接觸的表面積，帶來更好的傳熱效果，從而提高了冷卻效率，并形成通道內小湍流，從而實現通道自清潔的效果。
三、3D打印對注塑產品帶來的附加值
通過3D打印制造的隨形冷卻注塑模具，可以實現高達70%的注塑模具加工效率。在圖2所示的例子中，一個冰刮刀的模具，通過增材制造方法來加工，使得注塑時間從80秒降到40秒，這意味著注塑件的生產速度變為原來的兩倍。
圖2：冰刮刀隨形冷卻模具
通過增材制造來制造的隨形冷卻模具的其他主要優點包括：可以成型更均勻的塑件制品，使制品零缺陷，并且避免因冷卻速度不均勻而導致的縮凹痕跡。另外，在開發新注塑產品時，有助于實現通過較少的迭代即可完成產品的開發。當然，更多的優點還包括在制造復雜模具時，由于減少了冷卻通道加工和拼接的環節，增材制造方法比傳統方式更快。
應該注意的是，增材制造出來的模具表面精度不高，要通過后期的精加工和拋光處理來獲得所需的表面精度。在這個環節，傳統的機加工與增材制造優勢形成互補。