Конформната охлаждаща форма е произведена от Технология на печат 3D, и субстрата на 3D печат е проучена. Якостта на натиск и якостта на провлачване на натиск на 3D отпечатания композитен материал с 30% (масова част) добавен волфрамов карбид (WC) достигна съответно 1757MPa и 1677MPa, което е с около 20% по-високо от показателите на компресия на стоманената матрица на формата. С оглед на проблемите с дългото време за охлаждане, изкривяването на продукта и нестабилността на размерите при дизайна на матрицата, беше проектирана форма с конформен канал за охлаждаща вода, базирана на метален 3D печат, и симулационният анализ беше извършен с помощта на софтуера Moldflow. Резултатите показват, че решението с конформен воден канал може значително да подобри ефективността на охлаждане и да намали деформацията на продукта. Технологията за метален 3D печат има широк спектър от приложни стойности в областта на формите за конформно охлаждане. Пластмасовите продукти се формоват главно в машини за леене под налягане с помощта на форми. В целия производствен процес времето и разходите за производство на шприцформи са най-високи. В днешно време нарастващото търсене на персонализирани продукти в малки партиди доведе до бързо развитие на производството на мухъл и все по-ожесточена конкуренция. Следователно, в допълнение към непрекъснатото подобряване на качеството и производителността на шприцформите, е необходимо също така да се минимизират производствените разходи и да се съкрати цикълът на разработване на продукта, за да се завземе бързо пазара.

В процеса на формоване на пластмасови части етапът на охлаждане представлява 2/3 от целия цикъл на формоване. Недостатъчното време за охлаждане може да причини дефекти като следи от свиване и изкривяване на пластмасови части. Твърде дългото време за охлаждане също ще повлияе на производствената ефективност и цената на пластмасовите части. Следователно подобряването на ефективността на разсейване на топлината на матрицата и съкращаването на времето за охлаждане се превърнаха в ключови изследователски насоки на индустрията за формоване. Сред тях дизайнът на водни канали със специална форма е едно от ефективните решения за подобряване на ефективността на разсейване на топлината на формата и съкращаване на времето за охлаждане. Традиционният канал за вода за охлаждане на формата е ограничен от технологията на обработка и може да бъде постигнат само чрез пробиване на отвори във формата. Формата обаче често има сложни механизми, като тласкащи пръти, наклонени направляващи колони и плъзгачи. При проектирането на водния канал е необходимо да се избягват определени съществуващи механизми на формата. Следователно се превърна в много трудна задача да се направи ефективен канал за охлаждаща вода във формата за бързо и равномерно охлаждане на пластмасовите части.

Вземайки шприцформите като пример, съществуващите шприцформи имат следните основни проблеми поради охлаждащи фактори: (1) Съществуващата технология за обработка на матрицата ограничава технологията за обработка на водния канал, което води до невъзможност да се изпълнят напълно изискванията за охлаждане на пластмасовите части, което води до при проблеми като нестандартно качество на пластмасови части или невъзможност за директно формоване; (2) Съществуващата технология за обработка на матрицата ограничава ефективността на охлаждане на водния канал, удължава времето за охлаждане, допълнително влияе върху времето за изхвърляне на шприцования продукт, като по този начин засяга ефективността на производството и забавя промотирането на продукта на пазара; (3) Проблемът с охлаждането по време на процеса на шприцване на продукта често ограничава структурния и функционален дизайн на продукта. Процесът на пръскане по време на инжектиране под високо налягане има две основни цели: едната е смазване за подобряване на изваждането от формата; другото е да действа като спрей за охлаждане. Тенденцията на индустриалното развитие е да се сведе до минимум или да се премахне стъпката на пръскане. Използването на конформен охлаждащ дизайн може да намали търсенето на пръскане, да удължи живота на матрицата и да гарантира качеството на шприцованите части1.

Технологията за метално лазерно 3D принтиране се основава на принципа на послойно производство и формоване слой по слой наслагване. Съгласно триизмерния структурен модел на необходимите части се проектира файлът с модел на срез. Металният прахообразен материал се разтопява според установената траектория на сканиране чрез оборудване за лазерно 3D принтиране, втвърдява се и се формира и се наслагва слой по слой, който може да образува части с всякаква сложна геометрична форма7. В сравнение с традиционните методи на обработка, лазерното селективно топене (SLM) може да произведе сърцевини и кухини на матрицата с високопрецизни сложни конформни водни канали, което значително намалява времето за охлаждане на матрицата и скъсява производствения цикъл на матрицата.

Въз основа на технологията за 3D печат на метал, тази статия изследва производителността на печатащия субстрат, проектира прецизна конформна охладителна система за шприцформи, използва софтуер за анализ на потока на матрицата, за да анализира производителността на конформни охлаждащи форми, оптимизира ключовите параметри на процеса на конформни охлаждащи форми , и използва технология за 3D печат за отпечатване на формата и провеждане на тестове за леене под налягане.

1 Материални изследвания

Според нуждите на частите на матрицата изберете нисковъглеродна стомана с висока якост с добра устойчивост на корозия и висока твърдост. Отпечатването на композитни материали е текущата изследователска посока на производството на метални добавки. Чрез добавяне на керамична фаза от волфрамов карбид (WC), силата и твърдостта на матрицата, както и устойчивостта на износване и топлоустойчивостта, могат да бъдат подобрени, но в същото време това ще доведе и до проблеми като намалена пластичност. Анализирането и изследването на механизма за укрепване на керамичната фаза и свързването между керамичната фаза и интерфейса на матрицата е ефективен начин за контролиране на цялостното представяне на композитния материал и подобряване на здравината.

Масовата част на WC във формовъчната стомана е 30%, а параметрите на процеса на формоване на SLM са показани в таблица 1. Плътността на формованата проба, измерена чрез дренажния метод, е 9.11g·cm'-3. След образуване на 30% (масова част) проба от композиционен материал от стоманена форма WC, след високотемпературен разтвор при 900 ℃ за 1 час и топлинна обработка на стареене при 500 ℃ за 4 часа, твърдостта се открива като висока до 52.4HRC. Чрез експерименти може да се види, че неговата твърдост е положително свързана с неговата плътност. Колкото по-висока е плътността, толкова по-малък е броят на вътрешните пори и толкова по-висока е твърдостта. Твърдостта на стоманения материал на матрицата без добавки след топлинна обработка със стареене в разтвор е 48HRC. За сравнение, общата твърдост на формовъчната стомана с добавен WC е подобрена до известна степен, което показва, че малко количество WC частици се разтварят в матрицата по време на процеса на обработка на разтвора.

Както може да се види от Фигура 1, с изключение на някои WC частици, които поддържат пълен и гладък сферичен интерфейс, други WC частици се разтварят по време на процеса на обработка на разтвора, превръщайки се в елипсовидни или дефектни сфери и малките частици на WC изчезват. Това показва, че WC частиците са частично разтворени в матрицата и се образува силна металургична връзка между частиците и субстрата, което значително подобрява общата якост и твърдост на материала, което може да се отрази и в промяната на твърдостта на композитен материал.

Резултатите от тестовете за ефективност на компресия на композитни материали с различни масови фракции (WC) показват, че с увеличаването на масовата фракция на WC, якостта на натиск и границата на провлачване на композитния материал постепенно се увеличават. Якостта на натиск и границата на провлачване на композитния материал с 30% добавен WC са съответно 1757MPa и 1677MPa, което е с около 20% по-високо от характеристиките на компресия на стоманената матрица на матрицата и компресираните части не са счупени, но възниква компресионна деформация. Следователно WC композитите, използвани като субстрати, са от полза за подобряване на работата на формата.

2 Проектиране и анализ на конформен воден канал

С оглед на структурните характеристики на продуктите за проектиране на формовъчни форми с конформни водни канали, ние първо използвахме софтуера за анализ на Moldflow, за да сравним анализа на потока на формовъчните форми на няколко типични случая с традиционни водни канали, проучихме горещите точки, температурните градиенти, термичната деформация и други проблеми в процес на формоване под налягане, проектирани конформни водни канали с различни кривини, разстояния от кухината и форми на напречното сечение, и непрекъснато ги итерирани и оптимизирани, с цел повишаване на производствената ефективност с повече от 30%. Ние анализирахме и обобщихме връзката между охлаждащия ефект и структурните характеристики и размерите на конформния воден канал, като се фокусирахме върху минималното разстояние между водния канал и повърхността на матрицата при различни работни условия, както и експлоатационните характеристики и охлаждането при различни разстояния, изискванията на различни структурни характеристики и системи от материали за леене под налягане за воден поток и съгласуваност между резултатите от симулационния анализ на софтуера и действителните резултати.

2.1 Конформен дизайн на водния канал

Чрез изследване на типичната структура и материални характеристики на продукта, температурният градиент на процеса на леене под налягане се анализира с помощта на софтуер за анализ на крайни елементи и се проектират конформни водни канали с различна кривина, разстояние от кухината и форми на напречното сечение . Охлаждащият ефект на конформния воден канал се анализира и оптимизира итеративно, а анализът, съчетаващ теория и практика, се извършва чрез експерименти за установяване на връзката между температурния градиент и структурата на конформния воден канал и предварително определяне на стандарта за проектиране на конформен воден канал .

Вземете формата на горния капак на определен продукт като пример: според принципа, че разстоянието между канала за охлаждаща вода и повърхността на лепилото трябва да бъде по-голямо от 2/3 от диаметъра на водния канал, дълбокото оформление на костите и иновативната талия Първо се проектира гладък конформен воден канал с напречно сечение, както е показано на фигура 2.

2.2 Анализ на гореща точка на плесен и деформация

Позицията на горещата точка се анализира от софтуера Moldflow, както е показано на Фигура 3. Позицията на горещата точка е 12 изпъкнали малки колони, които са частите, които трябва да бъдат охладени. Температурният градиент влияе върху охлаждащата деформация на продукта. Най-общо казано, колкото по-равномерна е температурата, толкова по-добре и разликата между най-високата и най-ниската температура не трябва да надвишава 20 ℃.

Както може да се види от Фигура 4, най-високата температура на повърхността на матрицата на традиционния машинно обработен воден канал е 102 ℃, най-ниската е 30 ℃, екстремната температурна разлика е 72 ℃, а издатината е сериозно недостатъчно охладена. В действителното производство е лесно да се причини неравномерно охлаждане на шприцовани продукти, голяма деформация и нестандартно качество на продукта; матрицата на конформния воден канал е по-равномерна от матрицата на традиционния машинно обработен воден канал, температурният градиент е по-нежен, най-високата температура е около 40 ℃, а охлаждащият ефект е идеален, което е благоприятно за контролиране на охлаждането и деформацията на продукта и подобряване на качеството на продукта.

Основните фактори, влияещи върху термичната деформация, са ефектът на тенденцията, неравномерното охлаждане и неравномерното свиване. Чрез анализа на Moldflow факторите на всяка деформация се разлагат, намират се основните фактори, влияещи върху деформацията, и след това се правят съответните подобрения за намаляване на деформацията. Тъй като материалът не съдържа стъклени влакна, няма ориентирана деформация. Както може да се види от Фигура 5, основният фактор на деформация, който влияе върху този продукт, е деформацията, причинена от неравномерно свиване, така че дебелината на стената на продукта може да бъде променена, за да стане по-равномерна.

Фигура 6 е сравнение на термичната деформация на формовъчните вложки между традиционните водни канали и конформните водни канали. Може да се види, че деформацията на конформните водни канали и традиционните машинно обработени водни канали е близка и и двете са в контролируемия диапазон. Това е главно защото основният фактор, влияещ върху деформацията, е деформацията на свиване, причинена от неравномерна дебелина на стената.

2.3 Анализ на конформното оформление на водния канал

Конформните водни канали могат да бъдат по-близо до кухината, отколкото традиционните машинно обработени водни канали, а разстоянието между водния канал и кухината е по-голямо или равно на 2/3 от диаметъра на водния канал. Зависи от структурата на формата. Ако до него има ежекторни отвори, наклонени ежекторни отвори, отвори за вмъкване и т.н., се препоръчва разстоянието между водния канал и кухината да е по-голямо или равно на диаметъра на водния канал. Фигури 7 и 8 са съответно сравнение на охлаждащите ефекти на водните канали на 2.5 mm и 5.0 mm разстояние от кухината. За сравнение може да се види, че охлаждащият ефект на водния канал на 2.5 mm от кухината е по-добър от този на водния канал на 5.0 mm от кухината. Колкото по-малко е разстоянието, толкова по-равномерна е температурата на вложката и по-кратък е цикълът на охлаждане. Може да се види, че при разумни принципи, колкото по-близо е водният канал до кухината, толкова по-добър е охлаждащият ефект, но трябва да се отбележи, че разстоянието между водния канал и кухината винаги е еднакво.

2.4 Анализ на дизайна на напречното сечение на конформен воден канал

Площта на напречното сечение на конформните водни канали е същата като тази на традиционните пробити водни канали и двата трябва да се поддържат последователни, доколкото е възможно, по време на проектирането. Този експеримент предлага елиптични и кръгли схеми на напречно сечение, както е показано на Фигура 9(a) и Фигура 10(a). От горното сравнение може да се види, че водният канал с елипсовидно триъгълно напречно сечение има по-голям дебит на водата, по-добър охлаждащ ефект, по-кратък цикъл и по-равномерна температура на вмъкване от водния канал с кръгло напречно сечение. Следователно, колкото по-голямо е напречното сечение на водния транспорт, толкова по-добър е охлаждащият ефект. Охлаждащият цикъл е важен параметър за пробните форми за продукти за шприцване, а конформните водни канали могат да подобрят добре цикъла на охлаждане.

Традиционният машинно обработен воден канал и конформният воден канал се въвеждат в Moldflow и сравнителният ефект на двата се анализира чрез зареждане на един и същ материал за леене под налягане (PETG, информация за материала вижте Таблица 2) и същите параметри на процеса на температурата на водата (входа температурата на водата е настроена на 20 ℃).

От резултатите от симулационния анализ на Moldflow на фигури 11 и 12 може да се види, че цикълът на охлаждане на конформния воден канал е 19s (включително 5s време за отваряне и затваряне на формата), докато цикълът на охлаждане на традиционния машинно обработен воден канал е 27s (включително 5 секунди време за отваряне и затваряне на формата). Конформният воден канал е по-добър от традиционния машинно обработен воден канал и неговият цикъл е съкратен с 30%, постигайки целта за оптимизация.

3 Проверка на мухъл

След анализ на потока на матрицата се определя дизайнът на структурата на матрицата и Оборудване за 3D печат на метал SLM (HBDG350) независимо разработен от Технология Hanbang се използва за печат. Процесът на печат и действителният продукт след отпечатването са показани на Фигура 13. След отпечатването се извършва рязане на тел, топлинна обработка и механична обработка, след което формата се инсталира за шприцване на изпитателна форма на продукта; пробната форма основно проверява цикъла на охлаждане на формата и температурата на вложката, тъй като цикълът на охлаждане ще повлияе на ефективността на производството, а температурата на вложката ще повлияе на ефективността на производството и качеството на продукта. Колкото по-кратък е цикълът на охлаждане, толкова по-висока е ефективността на производството и толкова по-големи са икономическите ползи; колкото по-равномерна е температурата на вложката, толкова по-добро е качеството на продукта и толкова по-висока е производствената ефективност. След проверката на пробната форма, продуктите, образувани от решението за охлаждане на конформен воден канал за 3D печат, имат подобрение на ефективността на производството с повече от 30% в сравнение с традиционната форма на воден канал, а процентът на дефектите е почти нулев, което напълно отговаря на производството и изисквания за използване.

4 Заключение

1) Композитният материал от стоманена форма, подсилен с WC частици, се използва като субстрат и неговата производителност се подобрява след 3D печат. Якостта на натиск и границата на провлачване на композитния материал с 30% (масова фракция) добавен WC достигнаха съответно 1757MPa и 1677MPa, което е с около 20% по-високо от характеристиките на компресия на стоманената матрица на формата. Композитният материал може да се използва в матрици за 3D печат, за да се намали деформацията на формата и да се подобри качеството на продукта.

2) Самоподдържащият се елипсовиден воден канал с конформен дизайн на охлаждащата форма нарушава конвенционалното ограничение на диаметъра на водния канал и подобрява ефективността на охлаждане на формата. Конформният дизайн може да намали максималната температура на повърхността на матрицата с 47.4%, средната температура на повърхността на матрицата с 40.9% и еднородността на повърхностната температура на матрицата с 1.8%. Охлаждащият ефект е значително подобрен и формата с конформен воден канал може ефективно да намали деформацията на продукта, да подобри стабилността на размерите на продукта и значително да подобри качеството на продукта.

3) В сравнение с традиционните форми за водни канали, производствената ефективност на продуктите, формирани чрез 3D печатна схема за охлаждане на конформен воден канал, се увеличава с повече от 30%, което напълно отговаря на изискванията за производство и употреба.