刘伟
广东省佛山市顺德区容桂职业技术学校
摘 要：本文以心形水杯塑件的制作为例，基于3D打印技术本案利用工业级SLS打印机打印水杯模具型腔、型芯的随形水道母模（砂型模），然后通过浇注形成模具核心部件型腔、型芯的坯件，经数控加工、抛光后装配试模，最终完成产品试制。通过3D打印随形水道完成本案注塑模具制作，进一步探索基于3D打印技术的注塑模具随形水道的实践应用，逐步推广该工艺在小批量产品生产中的应用。
关键字：3D打印 随形水道 模具制造
0 引言
目前国内3D打印技术的工业应用主要集中在产品设计中的手板制作，以实现快速成型，验证设计。而在模具制造中的应用由于受限于现阶段材料和机床本身性能、加工范围的限制，更多地是处于应用探索阶段。目前市场上3D打印随形水道主要集中与两类，一是基于选择性激光熔化(Selective Laser Melting,简称SLM)成型技术,即利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型，直接打印出模具的型腔和型芯等。二是通过选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)，使用粉末状材料，激光器对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，材料层层堆积成型。由于工业级3D打印设备昂贵，技术替代还需市场验证，市场普及率较低。针对目前市场存在的痛点，本案结合3D打印技术研究探索3D打印随形水道在传统模具制造中的应用。
1 模具设计分析
本文以笔者所在学校3D打印工作室心形水杯（如图1所示）注塑制作为例探索3D打印随形水道技术在注塑模具制造中的实践应用。心形水杯形状简单，杯口为心形状，杯体有较大斜度，杯壁厚度均匀，要求内外表面光滑，材料环保。
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图1 心形水杯造型
心形水杯为小批量个性化定制产品，由于传统模具制造周期长，成本较高，所以本案通过SLS技术使用覆膜砂打印随形水道母模，然后进行浇注做出坯件，加工坯件随形水道的型腔、型芯，与模架装配试模，注塑样件等完成心形水杯的制作。
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图2 模具设计装配图
模具设计装配如图2所示，本案使用结构简单的推板模，不靠顶针顶出，而是通过单独的一块板整体把塑料件从模具上顶出，制作简单，产品表面不会留下顶出痕迹。
如图3为心形水杯的模具型芯、型腔，传统水路设计由于受限于加工工艺，因此以直线型水路为主，水路为圆柱形截面，较难均匀贴近注塑件表面，冷却效率低且冷却不均匀。
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图3 模具型芯、型腔
2 水道设计
如图4图5为型腔型芯传统水路设计图。传统制造中由于型芯相对较小，在内部布置纵横交错的冷却水道比较困难，所以一般采用隔板式的冷却方式。虽然可以完成产品制作，但水道冷却周期较长，效率较低。
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本案采用的随形水道设计如图6图7所示。随形水道，是一种基于3D打印技术的新型模具冷却水路。使水路沿心形水杯型腔分层循环，型芯螺旋循环，使水道随水杯形状而变，很好的贴合产品形状，均匀分布。
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3 基于SLS的水道制作
常见的基于3D打印技术的随形水道的加工设备有SLM、3DP、SLS等，直接打印型腔型芯耗时长且成本高，对于本案的小批量生产我们采用工业级SLS设备，利用覆膜砂材料打印随形水道砂型模。如图8图9型腔和型芯的砂型模设计工艺。
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砂型模需要利用SLS设备打印制作出水道砂型，3D打印成型需要支撑，因此打印砂型模之前需要设计支撑，以加强水道强度提高打印成功率，并考虑浇注后的清砂便利。
如图10为打印好的型腔型芯砂型模，砂型模打印出来后，须经过烘烤处理，才能达到铸造所需要的强度和硬度，在铸造前把添加的支撑清除，把拆分打印的部件进行组合。
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4 铸件精加工
将处理好的随形水道型腔、型芯进行浇注，本案选用铝水浇注型腔型芯的毛坯件。浇注后的坯件进行数控加工后，结果如图11所示。由于铝合金材质较软，不耐冲击和摩擦，所以型芯和型腔在加工完成后，还必须进行表面处理，才能达到小批量生产的要求。
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图11 加工好的随形水道型腔、型芯
5 模具装配试制
将制作好的模具型腔、型芯装配到模架中，进行试模、修模等流程，试制心形水杯，结果如图12所示。
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图12 心形水杯试制产品
6 结语
通过本案心形水杯的小批量制作探索得出以下结论：首先，这种冷却水道很好地解决了传统冷却水道与模具型腔表面距离不一致的问题，可以使得注塑制品得到均匀的冷却，冷却效率更高。其次，工业级SLS打印的粉末熔化带来轻微纹理的表面，这种纹理结构增加了冷却接触的表面积，带来更好的传热效果，从而提高了冷却效率，并形成通道内小湍流，从而实现通道自清洁的效果。通过3D打印制造的随形水道冷却注塑模具，可以实现提升30%的注塑加工效率，可以成型更均匀的塑件制品，避免因冷却速度不均匀而导致的缩凹痕迹。最后，在开发新产品时，随形水道的应用有助于实现通过较少的迭代即可完成产品的开发。
但应该注意的是，随形水道母模浇注出来的模具表面精度不高，要通过后期的精加工和抛光处理来获得所需的表面精度。随形水路形状复杂,弯曲环绕的水路会造成日后堵塞清理的困难,因此在设计时需要考虑周全，使用3D打印随型水路时需注意保养,避免水路堵塞。
参考文献：
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