陳瑞兵

（東莞理工學校，廣東 東莞 523000）

由于傳統(tǒng)的塑料模具冷卻方式往往是通過水來實現(xiàn)，這使得塑料模具的質(zhì)量會受到冷卻方式的直接影響，傳統(tǒng)的冷卻水道是直線型的。水道加工往往是采用鉆孔的方式進行操作的，塑料模具內(nèi)部的水道分布、直徑以及水道的數(shù)量都會對模具的質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。

1 3D打印技術(shù)在模具制造中的應用

3D 打印技術(shù)主要是通過逆向思維的方式進行模具生產(chǎn)，通過3D 打印技術(shù)能夠解決模具在加工過程中的母模問題，并且能夠直接縮短模具生產(chǎn)的時間周期。3D 打印技術(shù)可以與傳統(tǒng)模具生產(chǎn)技術(shù)有機結(jié)合、發(fā)揮優(yōu)勢，更好地完成模具的生產(chǎn)工作。3D 打印主要分為3D 建模、模型分層和打印3 個環(huán)節(jié)。3D 建模的質(zhì)量對于后續(xù)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)有著非常重要的影響，利用3D 打印技術(shù)能夠在三維空間上確定物體的各項參數(shù)，確保模具的空間坐標，從而使模具的形狀符合最終產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。模型分層主要是利用3D 打印軟件將模具自動分為很多層，并在每一層儲存相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，分層數(shù)量越多，則產(chǎn)品的精度越高，但是也會導致產(chǎn)品的生產(chǎn)速度降低[1]。在最后打印這一環(huán)節(jié)，3D 打印機能夠自動按照所設定的程序讀取數(shù)據(jù)信息，最終實現(xiàn)3D 打印粉末成型，生產(chǎn)出符合要求的模具。

2 直線型冷卻與隨形冷卻技術(shù)的對比分析

傳統(tǒng)的直線冷卻水道與隨形冷卻水道的外觀有著明顯的不同，這是由于直線冷卻系統(tǒng)無法隨著型腔的變化而變化，這使得直線型冷卻水道與塑料的直線距離不盡相同，所以對塑料的冷卻效果也就有著較大的差異。這是傳統(tǒng)冷卻水道無法規(guī)避的問題。而隨形冷卻水道能夠緊密地貼緊塑料腔外表，所以水道的形狀可以隨著塑料的形狀發(fā)生改變，水道與塑料管件的直線距離能夠保持固定，所以使得塑料件能夠均勻的冷卻，從而使得塑料管件的冷卻效率較高[2]。直線型疏導的加工方式一般需要經(jīng)過切割和鉆孔等方式進行加工，這使得管道的加工難度相對較大，對施工工人的技術(shù)要求較高，但是這種直線型水道的冷卻效率卻相對較低。隨形隧道主要是通過3D 打印技術(shù)進行加工，工人只需要按照操作步驟進行施工即可，大大降低了施工的難度。隨形冷卻水道能夠更好地控制塑料模具的溫度，一旦冷卻液的溫度發(fā)生改變，型腔表面的溫度能夠在很短的時間內(nèi)降低至與冷卻液的溫度接近。所以隨形冷卻水道不僅能夠極大地縮短冷卻的時間，還能夠更好地控制塑料模具的精度。如圖1 所示，直線冷卻系統(tǒng)對于模具型芯、型腔的要求較高，一旦型芯、型腔相對復雜，會導致模具制造的難度非常大，冷卻水的流向也非常復雜，這就需要進行大量的鉆孔操作。隨形水道中的冷卻水對模具進行冷卻的時候，不會出現(xiàn)由于模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜情況而導致冷卻不均勻的現(xiàn)象，所以能夠滿足復雜的型芯、型腔模具冷卻要求。

圖1 直線冷卻系統(tǒng)與隨形冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 基于選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)的隨形冷卻水道塑料模制造技術(shù)

3.1 產(chǎn)品及模具分析

在使用3D 打印技術(shù)之前，需要對模具進行簡單的分析，確保選用合適的方式進行加工。以水杯為例，由于水杯造型相對簡單，分型相對容易，所以可以作為隨形冷卻水道的案例。內(nèi)置的冷卻水道成型零件可以分為2 個部分，一個是型腔，一個是型芯，分別固定在定模板以及動模板上。冷卻水道就被設計在型腔和型芯內(nèi)部。

3.2 冷卻水道分析

3.2.1 直線型水道

直線型水道采用通孔+堵孔的方式進行設計，但是由于型芯的結(jié)構(gòu)相對較小，所以在采用直線型冷卻水道時難度相對較大，可以采用隔板式的冷卻方式。

3.2.2 隨形水道

型腔的隨形水道可以采用平行的新型環(huán)方式，型芯的隨形水道則采用螺旋線方式，要確保所使用的水道直徑需要大于6 mm，水道邊緣與距離需要大于5 mm。

3.3 冷卻水道型芯、型腔的加工及調(diào)試

隨形冷卻水道可以通過SLM（選擇性激光熔化）、3DP（3D 打印）、SLS（選擇性激光燒結(jié)）加工，如果是型腔和型芯的體積相對較大，則采用3D 打印技術(shù)的成本更為昂貴，所以不適合采用SLM、3DP 方式進行加工，SLS 也不適用于直接加工型腔和型芯，SLS 只適合加工砂型模。所以在面對體積較大的型腔和型芯，需要首先設計型腔和型芯的砂型模。

如圖2 所示，砂型模拆開單獨打印主要是為了添加支撐和清砂，添加支撐的主要目的是使隨形冷卻水道的強度不斷增強，提高3D 打印的成功率。所以在鑄造前需要將添加的支撐去掉，避免對隨形冷卻水道產(chǎn)生影響。在完成砂型模打印以后，由于砂型模的硬度和強度暫時無法滿足要求，所以需要對砂型模進行物理烘烤處理，確保砂型模的強度和硬度滿足要求。在完成砂型模的生產(chǎn)后，需要對砂型模進行鑄造和精加工。首先將鑄鋼材質(zhì)液體沿著角落慢慢導入砂型模的內(nèi)部，等到液體的鑄鋼材質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)以后，將砂型模打碎，確保能夠得到所需要的型腔和型芯鑄件。由于砂型模所制造出來的模具外表和精度相對粗糙，并且設計時給精加工預留了一定的加工尺寸，所以無法直接運用到實際的工藝制作中，需要對模具進行精加工，確保模具的精度和表面滿足要求。

4 基于SLS技術(shù)的CCC塑料模制造技術(shù)

4.1 產(chǎn)品及模具分析

選取心形杯子為例，通過對該產(chǎn)品進行分析可知，該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相對簡單，可以作為隨行水道模具制造的代表進行分析。其內(nèi)置的冷卻水道可以拆分成為2 個零件，分別是型腔和型芯，分別將型腔和型芯固定在固定的模板和活動的模板中，冷卻水道就被設計在這2 個型芯和型腔內(nèi)部。

4.2 冷卻水道分析

在設計型腔直線型水道時，主要采用打孔和堵孔的方式，由于型芯的內(nèi)部構(gòu)造相對較小，在型芯內(nèi)部設計出縱橫交錯的直線型冷卻水道的難度較大，所以在實際的設計過程中主要采用了隔板的方式。由于型腔的隨形水道采用了很多在空間結(jié)構(gòu)上相互平行的心型環(huán)的方式，所以型芯的隨形水道則采用了螺旋線的方式，確保隨形水道的直徑能夠超過0.6 cm，水道的邊緣與模型的直線距離能夠超過0.5 cm。

4.3 冷卻水道型芯、型腔的加工及調(diào)試

如果將砂型模直接打印出來，會導致砂型模內(nèi)部沒有支撐，沒有內(nèi)部支撐的砂型?？赡軣o法滿足強度的要求。所以在鑄造型腔的時候，需要將砂型模去掉，避免其對冷卻水道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在通過3D 打印技術(shù)打印完成砂型模以后，需要對砂型模進行烘烤，確保砂型模的強度以及硬度能夠滿足實際生產(chǎn)的需求。最后工作人員再將鋁合金液體注入砂型模的內(nèi)部，確保鋁合金液體在凝固后降低到合理的溫度，再將砂型模打碎，這樣就可以得到對應的型腔以及型芯鋁合金鑄件。

4.4 基于3D技術(shù)的塑料模制造技術(shù)分析

首先利用CAD 軟件構(gòu)建模型，對鑄造模具進行工藝分析，設計出澆注系統(tǒng)和水出口，確定水道芯的凝固收縮參數(shù)，然后依照產(chǎn)品模型的收縮參數(shù)和尺寸，構(gòu)建完成水道芯和模具型腔的CAD 模型。為了避免受水道芯的階梯效應的影響，可以選定合理的模型進行分層分析，最終導出可以供3D 打印機識別的代碼。3D 打印機可以依據(jù)加工的識別碼，掃描出水道芯的每一層截面，直到能夠加工出符合要求的型腔物理模型。隨后再對打印砂型進行加熱處理，確保砂型模成型。然后對成型的砂型模的表面進行打磨，并且涂抹防火材料進行重力澆注得到模具的毛坯。最后對所得到的模具毛坯進行表面強化處理。

5 結(jié)語

圖2 3D 打印模具流程圖（SLS）

3D 打印技術(shù)發(fā)展到一定的階段以后產(chǎn)生了隨形冷卻技術(shù)，隨形冷卻技術(shù)使模具制造行業(yè)的隨形冷卻水道成為了可能。3D打印技術(shù)使模具的生產(chǎn)效率得以快速提升，隨形冷卻技術(shù)可以使模具快速冷卻，極大地縮短了塑料模具冷卻的時間，提高了塑料模具的生產(chǎn)質(zhì)量。