3D打印技术在注射模中的应用.pdf

塑料注射模技术 3 D 打印技术在注射模中的应用 陈琳 佛山市南海技师学院装备制造系( 广东佛山5 2 8 2 3 7 ) 【摘要】近年来，3 D 打印技术的迅猛发展让跟多人所熟知，随着3 D 打印技术在汽车、航空航 天、工业和医疗等领域的应用，大家对其发展都有不同的见解。通过讲解3 D 打印技术的模 具应用和传统注射模制造的制造工艺对比，分析3 D 打印技术对注射模的应用及影响。 关键词3 D 打印；模具制造；仿形水路 中图分类号：T Q 3 2 0 6 6 文献标识码：B A p p l i c a t i o no f3 DP r i n t i n gT e c h n o l o g yi nI n j e c t i o nM o l d 【A b s t r a c t 】I nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to f3 Dp r i n t i n gt e c h n o l o g yt ok e e pp e o p l e f a m i l i a rw i t h W i t ht h e3 Dp r i n t i n g t e c h n o l o g yi n t h ea u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e ，i n d u s t r i a la n d m e d i c a la p p l i c a t i o n s ，w eh a v ed i f f e r e n tv i e w so ni t sd e v e l o p m e n t ，t h i sp a p e rb ye x p l a i n i n gt h e 3 Dp r i n t i n g t e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l dm a n u f a c t u r i n g m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s c o m p a r i s o n ，a n a l y s i so f3 Da p p l i c a t i o na n di n f l u e n c eo fp r i n t i n gt e c h n o l o g yo ni n j e c t i o nm o l d K e yw o r d s ：3 Dp r i n t i n g ；m o l dm a n u f a c t u r i n g ；p r o f i l ew a t e r w a y 1 3 D 打印介绍 3 D 打印( 3 D P ) 即快速成型技术的一种，它是一种 以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可 粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 3 D 打印通常是采用数字技术材料打印机来实现 的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模 型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这 种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工 业设计、建筑、工程和施工( A E C ) 、汽车，航空航天、牙 科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支 以及其他领域都有所应用。 3 D 打印技术是一种逐层制造技术，它采用离散 堆积成型原理，其过程是：先得到所需零件的计算机 三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一 定厚度进行分层，将原来的三维模型变成二维平面信 息，即离散过程；再将分层后的数据进行一定的处理， 加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系 统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并 使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品的实物 样件或成品，这就是材料的堆积过程。已知自由曲面 C A D 模型，如果使用传统的方法和数控机床进行加 工，那么复杂的自由曲面，成本高，效率低。近年来， 3 D 打印即广泛的被运用于工业生产中。各种3 D 打印 技术的过程都包括如图1 所示C A D 模型建立、生成 S T L 文件格式、3 D 打印制作、模型分层切片和后置处 理5 个步骤。 图13 D 打印工艺流程 2 注射模介绍 注射模如图2 是一种生产塑胶制品的工具；也是 赋予塑胶制品完整结构和精确尺寸的工具。注射成 型是批量生产某些形状复杂部件时用到的一种加工 方法。具体指将受热融化的塑料由注塑机高压射入 模具制造) 2 0 1 7 年第1 2 期 5 9 万方数据 塑料注射模技术 模腔，经冷却固化后，得到成型品。 模具的结构虽然由于塑料品种和性能、塑料制品 的形状和结构以及注塑机的类型等不同而可能干变 万化，但是基本结构是一致的。模具主要由浇注系 统、调温系统、成型零件和结构零件组成。 2 1模具冷却水路设计 冷却水路设计如图3 是模具设计中非常重要的 环节之一，在模具中设计水路的主要目的就是通过 控制模具温度，使注射成型具有良好的质量和较高 的生产效率，如图4 是不同水路对模具散热路径及温 差的影响一 直片 进水 ( b ) 模具的传热路径 司5 隔水片形式 间隙 排水 增加水道深度会减少冷却效能，水道相隔太阔会 导致不均衡的模面温度。 水路设计原则： ( 1 ) 冷却水道尽量多，截面尺寸尽量大。 ( 2 ) 冷却水道至型腔表面尽量多： ( 3 ) 入水处加强冷却。 ( 4 ) 冷却水道出入水口温差应尽量小： 在生产过程中，经常会遇到一些形状比较复杂的 零件，普通运水形式无法满足控制温度的效果，就有 了特殊运水：隔水片形式、加散热针形式、运水通形 式、螺旋运水形式等如图5 、图6 、图7 所示。 模具的温度差 罔6 加散热针形式 6 0 模具制造 2 0 1 7 年第1 2 期 万方数据 塑料注射模技术 图7 螺旋运水形式 a 直接螺纹进、排水b 由底穿孑L 入螺纹进、排气 图8 为某公司大型汽车配件模具的运水三维图， 为了能在注射过程中达到最好的温度控制效果，在模 具零件上打出了很多很复杂的运水孑L 同时也需要很 多的堵头及隔水片等辅助配件。 这些运水孔大多直径不大但深度很深，为了钻出 复杂的孑L 系，需要使用大型的深孑L 钻床图9 及专用枪 钻图1 0 ，加工制造时间长，在大型模具中往往钻一个 孑L 都需要1 2 h 。 根据上面所述模具水路 的传统加工由于加工方法、设 备等条件的制约为了达到模 具最好的温控效果从而使得 模具的水路设计变得相当复 杂，加工时间也随之变长，经 济成本、人力成本、时间成本 也大大提高了。 2 23 D 打印随形水路 目前C N C 加工是在制造 模具时最常用的技术。虽然它 能够提供高度可靠的结果，但 同时也非常昂贵和费时。所以 很多模具制造企业也开始寻找更加有效的替代方 式。随着3 D 打印技术的发展应用，3 D 打印技术日渐 成熟，而通过增材层制造制作模具也就成了一个更加 具有吸引力的方法，特别是因为模具一般都属于小批 量生产而且形状都比较复杂，很适合3 D 打印来完成。 硬质合金钻头钻杆 图1 0 枪钻结构匿 一1 _ 一 纠iJ f I 注射模随形冷却技术最先是在1 9 9 7 年由美国麻 省理工学院的S a c h s 教授提出，注射模的随形冷却方 式与传统的冷却方式有所区别，其冷却水道的形状是 随着塑件的外形而变化的，不再是传统的直线状如图 1 l 所示。因此，它可以很好地解决传统冷却水道与模 具型腔表面距离不一致的问题，使塑件冷却均匀，提 高冷却效率。 图1 13 D 打印的随形水路 随着3 D 打印技术的发展，随形冷却技术逐渐成 为了注射模冷却系统研究的热点。用3 D 打印技术制 造随形冷却模具，不仅简化了加工工艺，同时也方便 模具制造) ) 2 0 1 7 年第1 2 期 6 l 万方数据 塑料注射模技术 随形冷却水道的设计，提高设计的效率，使冷却水道 的随形性更为理想。 2 3 随形冷却水道的设计 利用3 D 打印方法加工的冷却水道的截面形状具 有多样性，可以是U 形、圆形和椭圆等。本文的随形 冷却水道采用S L M 成型工艺进行3 D 打印，截面选用 圆形截面，这样不仅可减小边角处的热应力积累，避 免注射时因应力集中造成的模具损坏，还可较为准确 地借鉴传统注射模冷却水道的设计经验，更好地控制 模具的壁面温度。 ( 1 ) 使用三维软件进行随形水路设计如图1 2 、图 1 3 所示。 司1 2 随形水路设计 ( 2 ) 利用3 D 打印技术打印出金属件如图1 4 所示。 习1 43 D 打印金属件 33 D 打印制造模具的优缺点 3 13 D 打印制造模具的优点 ( 1 ) 模具生产周期缩短。 3 D 打印模具缩短了整个产品开发周期，并成为 驱动创新的源头。3 D 打印模具缩短了整个产品开发 周期，并成为驱动创新的源头。 ( 2 ) 制造成本降低。 金属3 D 打印的模具在一些小的、不连续的系列 终端产品生产上具有经济优势( 因为这些产品的固定 费用很难摊销) ，或者针对某些特定的几何形状( 专门 为3 D 打印优化的) 更有经济优势。尤其是当使用的 材料非常昂贵，而传统的模具制造导致材料报废率很 高的情况下3 D 打印具有成本优势。 ( 3 ) 模具设计的改进为终端产品增加了更多的功 能性。 增材制造为工程师带来了无限的选择以改进模 具的设计。当目标部件由几个子部件组成时，3 D 打 印具有整合设计，并减少零部件数量的能力。这样就 简化了产品组装过程，并减少了公差。 增材制造为工程师带来了无限的选择以改进模 具的设计。当目标部件由几个子部件组成时，3 D 打 印具有整合设计，并减少零部件数量的能力。这样就 简化了产品组装过程，并减少了公差。 而3 D 打印可以实现任意形状的冷却通道，以确 保实现随形的冷却，更加优化且均匀，最终导致更高 质量的零件和较低的废品率。此外，更快的除热显著 减少了注射的周期，因为一般来说冷却时间最高可占 整个注射周期的7 0 。 3 23 D 打印制造模具的缺点 ( 1 ) 金属打印机价格较高。 ( 2 ) 打印材料价格较高。 参考文献 1 罗军3 D 打印( 从想象到现实) 【M 】北京：东方出版社，2 0 1 4 ， 【2 宋满仓注塑模具设计 M 】北京：电子工业出版社，2 0 1 0 ， 3 】王静注塑模具设计基础 M 北京：电子工业出版社，2 0 1 3 作者简介：陈琳，女，1 9 9 0 年生，从事教学工作。 ( 收稿日期：2 0 1 7 - 0 9 一1 8 ) 6 2 模具制造) ) 2 0 1 7 年第1 2 期 万方数据