金属3D打印异型冷却水路能有效提高注塑模具生产率30%

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金属3D打印异型冷却水路能有效提高注塑模具生产率30%

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模仁传统冷却水路导致高温的变化

塑料射出成型过程中冷却循环温度变化较大,就会增加射出成品翘曲变形的风险。以传统方式设计及制造射出成型汽车管路在测试中产生132˚C的温度波动时,工程师建议客户将模具水路设计改为异型水路系统,以达到更均匀散热的效果。为此,工程师们使用3D Systems’ Cimatron软件去设计模具,使内部冷却水路设计可贴附于模仁面下均匀环绕。为了准确实现模具内这些复杂的冷却水路,使用金属增材制造设备( 3D Systems ProX300)进行打印生产。

因此新设计的异型冷却水路模具可在整个冷却过程中将模温降低18˚C,模具冷却时间也从原本的一分钟缩短至40秒,整体生产效率提高30%。

图一.客户使用金属3D打印制做模仁异型水路

模具异型水路透过现代科技技术解决了许多射出成型模具零件翘曲的问题。许多模具都有曲面,但传统冷却流道工艺受于刀具限制只能制作直进直出的流道。在多数情况下,传统冷却水路与零件几何表面是无法相匹配的。这代表着靠近零件中心的特征通常离最冷却线较远。因此会在冷却过程一开始就导致零件产生较大的温度变化。

因此工程师对汽车管道水路重新设计,以加强此套模具冷却效率,主要水路设变是有多个不规则曲面。在传统模具设计过程中,是通过一个中心和定子块钻出冷却水路(直线),以便调整模具的几何特征,且允许一定程度的翘曲量。而对于不规则形状的模具来说,模具部分特征都与冷却水路无关,因为存在着直线管道的限制,导致模具的几个关键特征与冷却线隔开,由此温度变化将产生各种残余应力,而这些应力在冷却过程中会使零件翘曲。

在过去遇到这种问题是将冷却循环周期延长以确保成品顶出前完全固化,并对镶件进行调整以便允许一定程度的翘曲。但若以延长冷却周期解决问题,则会降低生产效率并增加制造零件的成本。

图二.汽车风管异型水路模具样件

透过异形冷却水路改善/提升模具效益

汽车风管模具应用异型水路是一个很好的应用案例,这将有助于提高最终零件的质量、减少废料及减少冷却周期。

工程师建议解决方案给了客户(汽车供货商)并同意了新的方案。接下来客户提供原始几何体的CAD档案后,工程师使用模具设计软件来完成3D建构设计。工程师移除了原来的直线冷却路线,使用与零件表面保持一致距离的异型水路来替换它。最后以金属3D打印技术进行模具生产,让复杂的水路设计能被完整呈现,同时也改善了截面与接口表面的质量。这样的设计也进一步增加了模具传递到冷却剂的热量,且提升了冷却效率。透过高效率的模具异形冷却水路后,就降低了与减少零件变形缺陷及凹痕问题。这样的方式有效降低了校正率、测试率及抽样率需求,并达到预期的成效,届时也为模具制造商及服务供货商节省了大量的时间与金钱。

图三.汽车风管异型水路模拟示意图

通过精确的模拟设定期望值

工程师们将模具文件从Cimatron导入Moldex3D(模流分析软件),进行整体的冷却水路模拟分析。

Cimatron and Moldex3D完全兼容,使我们能够更轻松去对整个模具进行模拟分析,并得到模具及零件的温度变化图,以找出热点及冷点,且能够分析不同冷却循环时间造成的效果。

模拟分析过程是能够很快让我们找到重新设计改善的区域,对模具生产加工以前,可对针对此区域的冷却水路进行改善。全新的异形水路设计及原始模具设计仿真分析对比,结果显示新设计的异形水路模具的温度分布得到了极大的改善,将温度变化降低86%。

接下来工程师使用了金属增材加工软件进行模具镶件的设计,他们导入零件数据并优化几何特征数据、计算扫描路径、规划3D打印建构平台,最后直接传输到打印设备端。

工程师对于这种汽车风管模具使用了麻时效钢材料(模具钢)在设备上进行生产,透过高精度激光烧结,在薄的粉末层上烧结金属粉末颗粒,一层接着一层的堆栈打印成型。

当打印完成后,工程师使用蓝光3D扫描仪将零件扫描,并将网格覆盖在原图档上进行对比,以验证金属3D打印尺寸。之后这些零件会运送至汽车供货商,并将其镶件安装到铸模机上。

经过测试后结果,异型水路的冷却更均匀,可以减少周期时间,并提高了生产效率约30%。由于异型冷却提供的循环时间减少可以降低射出压力,因而模具的寿命也会大幅提升。反过来说,也减少了模具分模线的磨损及模具的复杂细节。

马路科技提供了完整的设计端到制造端解决方案包含了模具设计软件、建构准备软件和金属3D打印机。我们不只专注在3D打印机,也专注在如何对异形水路进行设计及分析并提供最高精度的尺寸检测服务。


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