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      基于SLS工藝的隨形水路熱流道運(yùn)水套制造技術(shù)研究

      2021-07-06 01:39:01王凌飛
      智能制造 2021年2期
      關(guān)鍵詞:注塑模

      王凌飛

      摘要:熱流道注塑模的運(yùn)水套零件對(duì)于注塑的質(zhì)量與效率影響很大,傳統(tǒng)加工手段只能在外圍構(gòu)建形狀簡(jiǎn)單的冷卻水路系統(tǒng),冷卻效果較差。使用SLS快速成型技術(shù)可以加工出具有內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨形水路運(yùn)水套零件,通過(guò)模型準(zhǔn)備、數(shù)模預(yù)處理、打印成型與制件后處理全流程的生產(chǎn)實(shí)踐,以及模流仿真與分析,獲得了切實(shí)可行的隨形水路運(yùn)水套的快速成型制造方案,驗(yàn)證了該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。

      關(guān)鍵詞:快速成型;選擇性激光燒結(jié);隨形水路;注塑模;運(yùn)水套

      1 引言

      在注塑生產(chǎn)中,熱流道技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主流道、分流道和澆口進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臏囟瓤刂疲沟脻沧⑾到y(tǒng)中的塑料一直保持在熔融狀態(tài),從而達(dá)到節(jié)約材料以及實(shí)現(xiàn)連續(xù)注塑的效果。熱流道系統(tǒng)通常由熱流道板、溫度控制器、噴嘴等部分構(gòu)成,在一些熱流道進(jìn)膠的模具中需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的運(yùn)水套,一方面可以保護(hù)置于其中的熱流道噴嘴,另一方面也可以據(jù)此設(shè)計(jì)冷卻水路,從而確保澆口處的冷卻效果[1]。

      由于熱流道系統(tǒng)始終保持高溫,所以塑件在靠近澆口處的熱聚集效應(yīng)比較明顯,從而影響冷卻速度與均勻性,使得塑件生產(chǎn)的周期變長(zhǎng)、質(zhì)量變差。針對(duì)這一問(wèn)題,傳統(tǒng)的做法是在運(yùn)水套的外圈加工水槽,裝配后形成冷卻水路,如圖1所示,但這一做法往往仍然難以保證良好的冷卻效果。

      選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)快速成型技術(shù)可成形金屬制品,使用SLS技術(shù)加工運(yùn)水套可以擺脫常規(guī)加工手段的諸多限制,從而制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、更貼近噴嘴端面的隨形水路運(yùn)水套,具備更好的冷卻效果[2]。

      2 研究步驟

      本文旨在研究SLS工藝加工隨形水路運(yùn)水套的過(guò)程以及分析其冷卻效果,研究采用的技術(shù)路線如圖2所示。

      3 運(yùn)水套零件加工

      3.1 運(yùn)水套結(jié)構(gòu)分析

      某品牌化妝品瓶蓋熱流道模具中的隨形水路運(yùn)水套如圖3所示,中間空腔處用以安裝針閥式熱流道。塑件產(chǎn)品的材質(zhì)為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS),塑件外觀要求高,外表面不允許有斑點(diǎn)、收縮凹陷、熔接痕和飛邊等缺陷。由于塑件上表面靠近熱流道噴嘴,為確保冷卻效果,使用內(nèi)部設(shè)置隨形水路冷卻的運(yùn)水套。如圖3所示,運(yùn)水套的下端面密布了冷卻水路,以保證產(chǎn)品上表面的冷卻效率,從而改善產(chǎn)品的表面質(zhì)量以及縮短成型周期。

      3.2 模型數(shù)據(jù)預(yù)處理

      (1)導(dǎo)出模型數(shù)據(jù)

      完成運(yùn)水套三維建模后,將模型導(dǎo)出為STL格式文件。STL格式是目前主流的快速成型通用格式。文件導(dǎo)出時(shí),可通過(guò)改變?cè)O(shè)置三角公差與相鄰公差的值來(lái)控制STL數(shù)模精度,根據(jù)SLS金屬成型的特性,將三角公差與相鄰公差值設(shè)置為0.02,以滿足成型件精度。

      (2)修復(fù)與切片

      采用Materialise Magics軟件對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。先對(duì)模型進(jìn)行診斷,由于在轉(zhuǎn)換或是利用光學(xué)掃描等手段獲取STL格式文件時(shí)可能會(huì)存在反向三角面片、孔洞和干擾面片等未知問(wèn)題,而這些問(wèn)題可能導(dǎo)致后續(xù)打印無(wú)法進(jìn)行,故而先檢查、修復(fù)模型,確保模型無(wú)上述各類(lèi)問(wèn)題。

      確認(rèn)模型無(wú)誤后加載機(jī)器平臺(tái),選擇EOS Eosint M280型號(hào)機(jī)器平臺(tái)。調(diào)整零件擺放位置和方向,零件擺放時(shí)選擇可以減少支撐結(jié)構(gòu)的朝向,以節(jié)約材料;由于一次打印多個(gè)零件,采用交錯(cuò)排布,避免刮刀重復(fù)集中磨損,以保護(hù)設(shè)備并提升制件質(zhì)量。使用Magics軟件進(jìn)行切片,設(shè)置切片參數(shù),如圖4所示,將切片厚度設(shè)置為0.04 mm,切片格式選擇EOS設(shè)備能夠讀取的CLI文件格式。

      3.3 快速成型加工

      (1)粉料準(zhǔn)備

      根據(jù)模具使用要求以及SLS成型工藝要求,選擇18Ni300模具鋼金屬粉末作為原料。SLS工藝成型時(shí)是將材料粉末鋪開(kāi)并刮平,用高強(qiáng)度的CO2激光器在粉層上掃描燒結(jié)出零件截面,得到零件層面。將18Ni300模粉置入設(shè)備成型倉(cāng)時(shí),使用0.08 mm篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾,確保倉(cāng)內(nèi)燒結(jié)粉末的顆粒直徑均<0.08 mm。因?yàn)樵诜勰┭h(huán)使用的過(guò)程中,靠近燒結(jié)區(qū)的粉末雖未被整體燒結(jié)為制件,但由于靠近高溫區(qū)域,也會(huì)產(chǎn)生熔合長(zhǎng)大的情況,而這些顆粒度大的粉末如果再次燒結(jié)成型為制件,則會(huì)顯著降低成型件的致密度與質(zhì)量。

      快速成型制件的分層厚度對(duì)制件品質(zhì)以及生產(chǎn)效率影響巨大。隨形水路運(yùn)水套制件使用0.04 mm的切片厚度,可以兼顧內(nèi)部冷卻流道精度和加工生產(chǎn)效率。相應(yīng)的,在設(shè)備準(zhǔn)備階段也要校核并調(diào)整托盤(pán)水平度以及刮刀間隙。托盤(pán)不水平、刮刀間隙不均勻以及不合理會(huì)導(dǎo)致制件成型層厚不合理,嚴(yán)重的話甚至可能導(dǎo)致刮刀刮倒成型件。如圖5所示,在開(kāi)始加工前,通過(guò)百分表打表校核與調(diào)整,確保托盤(pán)平面度誤差<0.02 mm,刮刀間隙均勻,值為0.05 mm。

      (2)打印環(huán)境準(zhǔn)備

      在啟動(dòng)激光燒結(jié)前,關(guān)閉工作區(qū)域艙門(mén)并填充氮?dú)?。氮?dú)庾鳛槎栊员Wo(hù)性氣體,在激光燒結(jié)成型中,對(duì)于成型質(zhì)量起到非常重要的影響。成型倉(cāng)充滿氮?dú)夂?,氧氣含量極低,可以有效防止燒結(jié)部位暴露氧化;同時(shí)氮?dú)饪梢暂^好地減小等離子體云的形成,并將激光對(duì)熔池持續(xù)輻射而在熔池上部產(chǎn)生的等離子云吹散,使得成型均勻美觀。打印前,密閉成型艙門(mén)數(shù)小時(shí),使得內(nèi)部氮?dú)夂窟_(dá)到99.6%以上,可以正常工作。

      (3)設(shè)置打印參數(shù)

      完成各項(xiàng)打印準(zhǔn)備后即可導(dǎo)入CLI格式切片文件,制件本體為一個(gè)文件,其余支撐結(jié)構(gòu)為一個(gè)或多個(gè)文件。EOS Eosint M280設(shè)備預(yù)制了多個(gè)工藝參數(shù)包,不同包中設(shè)置不同激光占空比值、燒結(jié)進(jìn)給速度等工藝參數(shù),選擇不同的工藝參數(shù)會(huì)得到力學(xué)性能完全不同的制件。對(duì)于運(yùn)水套本體,需要重點(diǎn)保證其使用的強(qiáng)度與硬度要求,選擇“EOS_DirectTool”參數(shù)包;對(duì)于支撐結(jié)構(gòu),考慮兼顧支撐性以及去除方便,選擇“Default_ExternalSupport”參數(shù)包。

      如圖6所示,將各部分結(jié)構(gòu)設(shè)置合理的燒結(jié)參數(shù),并確認(rèn)制件層厚、起始與終止高度,即完成了打印相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)定。

      (4)打印成型

      為保證加工質(zhì)量,確認(rèn)設(shè)備完好,加工倉(cāng)溫度為150 ℃,先執(zhí)行預(yù)鋪粉與預(yù)熱動(dòng)作,隨后啟動(dòng)打印。在開(kāi)始制作零件直至制作結(jié)束的過(guò)程中,定時(shí)檢查制作情況,確認(rèn)是否產(chǎn)生零件翹曲以及刮板撞到零件等問(wèn)題。

      零件制作完成后,等待成型倉(cāng)溫度下降到80 ℃以下,將粉倉(cāng)平面下移30~40 mm,打開(kāi)艙門(mén),用吸塵器清除粉倉(cāng)周?chē)嘤喾勰P(guān)閉艙門(mén),將平臺(tái)移至底部,取出托盤(pán)及零件繼續(xù)散熱降溫,待零件溫度低于60 ℃即可取下制件。通過(guò)敲打震動(dòng)、氣吹等手段先將冷卻流道內(nèi)的金屬粉末清理干凈,最后使用線切割取下制件。

      3.4 制件后處理

      (1)熱處理

      SLS技術(shù)成型金屬零件時(shí),激光將制件瞬間加熱至1 000 ℃以上高溫,之后又在高速氣流作用下于極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到100 ℃左右,材料組織經(jīng)歷了由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,類(lèi)似于經(jīng)歷了一次“淬火”過(guò)程,此時(shí)制件力學(xué)性能偏脆硬并且存在內(nèi)應(yīng)力。如圖7所示,將制件取下后放入電爐,在490 ℃溫度下保溫6 h,之后隨爐冷卻。經(jīng)高溫回火后的制件得到“鐵素體+細(xì)粒狀滲碳體”混合物,具備更為優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

      (2)表面拋光

      調(diào)質(zhì)后制件表面呈現(xiàn)黑紫色,覆蓋了一層氧化皮。使用噴砂機(jī),采用石榴砂對(duì)運(yùn)水套進(jìn)行噴砂拋光,通過(guò)石榴砂磨料對(duì)工件表面的沖擊和切削作用,使工件的表面獲得更好的清潔度和一定的光潔度。如圖7所示,噴砂使制件表面的色澤產(chǎn)生了明顯的“由黑轉(zhuǎn)白”的改變。

      4 冷卻效果分析

      4.1 工藝條件設(shè)置

      使用Moldflow軟件對(duì)注塑過(guò)程及其冷卻效果進(jìn)行模擬分析。設(shè)置傳統(tǒng)水路與隨形水路兩種冷卻方案進(jìn)行對(duì)比[3]。在熱流道模具中,傳統(tǒng)冷卻水路的設(shè)計(jì)方案如圖8a所示,在動(dòng)模側(cè)使用隔水板對(duì)型芯進(jìn)行冷卻,而在定模側(cè)則圍繞熱流道注嘴設(shè)置環(huán)形水路;而采用隨形水路運(yùn)水套的冷卻方案如圖8b所示,在原有水路的基礎(chǔ)上,增加運(yùn)水套內(nèi)部異性水路,尤其在靠近澆口的塑件上表面附近排布密集的水路。

      根據(jù)產(chǎn)品成型要求及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),本文設(shè)置的注塑成型工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

      4.2 冷卻模擬結(jié)果分析

      如圖9所示,分別為2種冷卻方案中的產(chǎn)品頂出時(shí)的表面溫度分布。傳統(tǒng)水路方案中產(chǎn)品表面溫度范圍為30.74 ℃~33.80 ℃,溫差3.06 ℃;隨形水路冷卻方案中產(chǎn)品表面溫度范圍為29.73 ℃~32.61 ℃,溫差2.88 ℃。相比之下,使用隨形水路方案冷卻效果更好,產(chǎn)品整體溫度較低且溫差也比較小。而從溫度分布均勻性的角度來(lái)看,從兩者的色溫圖上明顯可以看出,采用隨形水路方案大大改善了塑件上表面的溫度分布情況,這也有助于提升產(chǎn)品的收縮穩(wěn)定性,減小翹曲變形并提升塑件表面質(zhì)量。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      經(jīng)過(guò)模型準(zhǔn)備、數(shù)模預(yù)處理、打印成型與制件后處理,加工出了結(jié)構(gòu)精細(xì)、力學(xué)性能優(yōu)秀的隨形水路運(yùn)水套,

      而通過(guò)模流分析仿真模擬也進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的有效性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:

      1)基于SLS粉末燒結(jié)技術(shù)可以成型出具備內(nèi)部復(fù)雜隨形水路結(jié)構(gòu)的熱流道運(yùn)水套零件。在模型數(shù)據(jù)處理階段要對(duì)所導(dǎo)出的STL文件進(jìn)行檢測(cè)與修復(fù),確保沒(méi)有問(wèn)題后進(jìn)行分層切片;快速成型加工前需要完成篩粉、調(diào)試工作臺(tái)和填充氮?dú)獾葴?zhǔn)備工作,分別為零件本體與支撐部分選擇合適的打印參數(shù)后進(jìn)行打印加工;完成打印后還需對(duì)制件進(jìn)行熱處理與表面拋光。

      2)模流分析的結(jié)果表明,與傳統(tǒng)冷卻方案相比,采用隨形水路冷卻可以增加冷卻效率與均勻性。產(chǎn)品整體溫度更低且溫差更小,尤其是在原本最接近熱流道噴嘴的高溫風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可以集中排布水路,從而大大改善該區(qū)域的溫度分布情況,減小翹曲變形并提升塑件表面質(zhì)量。

      3)基于SLS快速成形的隨形水路運(yùn)水套,其內(nèi)部管路不再是圓截面直線管道,而是三維空間內(nèi)的隨形管路,冷卻效果更為良好,有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)水路系統(tǒng)以及配套復(fù)雜蒸汽輔助快速熱冷輔助設(shè)備。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 王旭,朱傳林,侯景杰,等.熱流道技術(shù)在塑膠注塑模具中的應(yīng)用[J].河南科技,2019(35):65-67.

      [2] 鄭建平.基于SLS快速成形方法的注塑模具隨形冷卻水道制造技術(shù)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010 (11):231-232.

      [3] 厲邵,王小新,董志家,等.基于3D打印的儀表罩殼注塑模具隨形冷卻水路設(shè)計(jì)[J].中國(guó)塑料,2020,34 (2):85-89.

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