Konformní chladicí forma byla vyrobena společností Technologie 3D tiskua substrátem 3D tisk byl studován. Pevnost v tlaku a mez kluzu 3D tištěného kompozitního materiálu s 30 % (hmotnostní frakce) přidaného karbidu wolframu (WC) dosáhly 1757 MPa a 1677 MPa, v daném pořadí, což je asi o 20 % vyšší než kompresní výkon matrice ocelové formy. S ohledem na problémy dlouhé doby chlazení, deformace produktu a rozměrové nestability při návrhu formy byla navržena forma konformního kanálu chladicí vody na bázi kovového 3D tisku a simulační analýza byla provedena pomocí softwaru Moldflow. Výsledky ukazují, že řešení konformního vodního kanálu může výrazně zlepšit účinnost chlazení a snížit deformaci produktu. Technologie kovového 3D tisku má široký rozsah aplikační hodnoty v oblasti konformních chladicích forem. Plastové výrobky se formují především ve vstřikovacích lisech pomocí forem. V celém výrobním procesu je čas a náklady na výrobu vstřikovacích forem nejvyšší. V současné době vedla rostoucí poptávka po personalizovaných malosériových výrobcích k rychlému rozvoji odvětví výroby forem a stále tvrdší konkurenci. Pro rychlé uchvácení trhu je proto kromě neustálého zlepšování kvality a výkonu vstřikovacích forem nutné také minimalizovat jeho výrobní náklady a zkracovat cyklus vývoje produktu.

V procesu lisování plastových dílů představuje fáze chlazení 2/3 celého lisovacího cyklu. Nedostatečná doba chlazení může způsobit vady, jako jsou stopy po smrštění a deformace plastových dílů. Příliš dlouhá doba chlazení také ovlivní efektivitu výroby a cenu plastových dílů. Proto se zlepšení účinnosti odvodu tepla formy a zkrácení doby chlazení stalo klíčovými směry výzkumu v průmyslu forem. Mezi nimi je konstrukce speciálních tvarovaných vodních kanálů jedním z účinných řešení pro zlepšení účinnosti odvodu tepla formy a zkrácení doby chlazení. Tradiční kanál chladicí vody formy je omezen technologií zpracování a lze jej dosáhnout pouze vrtáním otvorů do formy. Forma má však často složité mechanismy, jako jsou tlačné tyče, šikmé vodicí sloupky a jezdce. Při návrhu vodního kanálu je nutné se vyhnout některým existujícím mechanismům formy. Proto se stalo velmi obtížným úkolem vytvořit účinný kanál chladicí vody ve formě, který by rychle a rovnoměrně chladil plastové díly.

Vezmeme-li jako příklad vstřikovací formy, existující vstřikovací formy mají následující hlavní problémy způsobené chladicími faktory: (1) Stávající technologie zpracování forem omezuje technologii zpracování vodních kanálů, což má za následek neschopnost plně splnit požadavky na chlazení plastových dílů, což má za následek v problémech, jako je nevyhovující kvalita plastových dílů nebo neschopnost přímo lisovat; (2) Stávající technologie zpracování forem omezuje účinnost chlazení vodního kanálu, prodlužuje dobu chlazení, dále ovlivňuje dobu vyhazování vstřikovaného výrobku, čímž ovlivňuje efektivitu výroby a zpožďuje propagaci na trhu s výrobky; (3) Problém chlazení během procesu vstřikování výrobku často omezuje strukturální a funkční design výrobku. Proces stříkání během vysokotlakého vstřikování má dva hlavní účely: jedním je mazání pro zlepšení vyjímání z formy; druhý má působit jako rozprašovací médium pro chlazení. Trendem průmyslového rozvoje je minimalizace nebo eliminace kroku stříkání. Použití konformního chlazení může snížit požadavky na nástřik, prodloužit životnost formy a zajistit kvalitu vstřikovaných dílů1.

Technologie kovového laserového 3D tisku je založena na principu vrstvené výroby a vrstveného superpozičního lisování. Podle trojrozměrného strukturálního modelu požadovaných dílů je navržen soubor slice modelu. Kovový práškový materiál se roztaví podle stanovené trajektorie skenování pomocí laserového 3D tiskového zařízení, ztuhne a vytvaruje a navrství vrstvu po vrstvě, což může tvořit díly s jakýmkoli složitým geometrickým tvarem7. Ve srovnání s tradičními metodami zpracování může laserové selektivní tavení (SLM) vyrábět jádra forem a dutiny s vysoce přesnými komplexními konformními vodními kanály, což výrazně zkracuje dobu chlazení formy a zkracuje výrobní cyklus formy.

Tento článek, založený na technologii kovového 3D tisku, studuje výkon tiskového substrátu, navrhuje přesný konformní chladicí systém pro vstřikovací formy, používá software pro analýzu toku formy k analýze výkonu konformních chladicích forem, optimalizuje klíčové procesní parametry konformních chladicích forem a používá technologii 3D tisku k tisku formy a provádění zkoušek vstřikování.

1 Materiálový výzkum

Podle potřeb dílů formy vyberte nízkouhlíkovou vysokopevnostní ocel s dobrou odolností proti korozi a vysokou tvrdostí. Tisk z kompozitních materiálů je současným směrem výzkumu výroby aditivních kovů. Přidáním keramické fáze z karbidu wolframu (WC) lze zlepšit pevnost a tvrdost matrice, jakož i odolnost proti opotřebení a tepelnou odolnost, ale současně to také přinese problémy, jako je snížená plasticita. Analýza a zkoumání mechanismu zpevňování keramické fáze a vazby mezi keramickou fází a rozhraním matrice je účinný způsob, jak řídit celkový výkon kompozitního materiálu a zlepšit houževnatost.

Hmotnostní podíl WC ve formovací oceli je 30 % a parametry procesu lisování SLM jsou uvedeny v tabulce 1. Hustota lisovaného vzorku měřená drenážní metodou je až 9.11 g·cm'-3. Po vytvoření 30% (hmotnostní frakce) vzorku kompozitního materiálu WC formy z oceli, po vysokoteplotním roztoku při 900 °C po dobu 1 hodiny a tepelném zpracování stárnutím při 500 °C po dobu 4 hodin, byla zjištěna tvrdost až 52.4 HRC. Prostřednictvím experimentů lze vidět, že jeho tvrdost pozitivně koreluje s jeho hustotou. Čím vyšší hustota, tím menší počet vnitřních pórů a vyšší tvrdost. Tvrdost materiálu formovací oceli bez přísad po tepelném zpracování procesním stárnutím je 48 HRC. Ve srovnání s tím je celková tvrdost formovací oceli s přidaným WC do určité míry zlepšena, což ukazuje, že malé množství částic WC se rozpustí v matrici během procesu zpracování roztoku.

Jak je vidět z obrázku 1, kromě některých částic WC, které si udržují úplné a hladké sférické rozhraní, se jiné částice WC rozpouštějí během procesu úpravy roztoku, stávají se eliptickými nebo defektními koulemi a malé částice WC mizí. To ukazuje, že částice WC jsou částečně rozpuštěny v matrici a mezi částicemi a substrátem je vytvořena pevná metalurgická vazba, která výrazně zlepšuje celkovou pevnost a tvrdost materiálu, což se může projevit i ve změně tvrdosti materiálu. kompozitní materiál.

Výsledky zkoušek kompresního výkonu kompozitních materiálů s různými hmotnostními zlomky (WC) ukazují, že jak se hmotnostní zlomek WC zvyšuje, pevnost v tlaku a mez kluzu kompozitního materiálu se postupně zvyšují. Pevnost v tlaku a mez kluzu v tlaku kompozitního materiálu s přidaným 30 % WC jsou až 1757 MPa, respektive 1677 MPa, což je asi o 20 % vyšší než kompresní výkon matrice z formovací oceli a stlačené části nejsou zlomené, ale dochází k deformaci tlakem. Proto jsou WC kompozity používané jako substráty prospěšné pro zlepšení výkonu formy.

2 Návrh a analýza formového konformního vodního kanálu

Vzhledem ke strukturálním charakteristikám produktů pro návrh forem s konformním vodním kanálem jsme nejprve použili software pro analýzu Moldflow k porovnání analýzy toku formy v několika typických případech s tradičními vodními kanály, prozkoumali jsme horká místa, teplotní gradienty, tepelnou deformaci a další problémy v proces vstřikování, navrhoval konformní vodní kanály s různým zakřivením, vzdálenostmi od dutiny a tvary průřezů a průběžně je opakoval a optimalizoval s cílem zvýšit efektivitu výroby o více než 30 %. Analyzovali jsme a shrnuli vztah mezi chladicím účinkem a strukturálními charakteristikami a rozměry konformního vodního kanálu se zaměřením na minimální vzdálenost mezi vodním kanálem a povrchem formy za různých pracovních podmínek, jakož i životnost a chladicí výkon při různé vzdálenosti, požadavky různých konstrukčních charakteristik a systémů vstřikovacích materiálů na proudění vody a soulad mezi výsledky simulační analýzy softwaru a skutečnými výsledky.

2.1 Konformní konstrukce vodního kanálu

Prostřednictvím studia typické struktury a materiálových charakteristik produktu je teplotní gradient procesu vstřikování analyzován pomocí softwaru pro analýzu konečných prvků a jsou navrženy konformní vodní kanály s různým zakřivením, vzdáleností od dutiny a tvary průřezu. . Chladicí účinek konformního vodního kanálu se analyzuje a optimalizuje iterativně a analýza spojující teorii a praxi se provádí pomocí experimentů, aby se stanovil vztah mezi teplotním gradientem a konformní strukturou vodního kanálu a předběžně se určil konstrukční standard konformního vodního kanálu. .

Vezměte si jako příklad horní krycí formu určitého produktu: podle zásady, že vzdálenost mezi kanálkem chladicí vody a povrchem lepidla musí být větší než 2/3 průměru vodního kanálu, rozložení hlubokých kostí a inovativní pas Nejprve je navržen hladký konformní vodní kanál ve tvaru průřezu, jak je znázorněno na obrázku 2.

2.2 Analýza horkých míst formy a deformace

Poloha horkého místa je analyzována softwarem Moldflow, jak je znázorněno na obrázku 3. Pozice horkého místa je 12 vyčnívajících malých sloupců, což jsou části, které je třeba ochladit. Teplotní gradient ovlivňuje deformaci produktu při chladnutí. Obecně lze říci, že čím rovnoměrnější je teplota, tím lépe a rozdíl mezi nejvyšší a nejnižší teplotou by neměl překročit 20℃.

Jak je vidět z obrázku 4, nejvyšší teplota povrchu formy tradičního obráběného vodního kanálu je 102 ℃, nejnižší je 30 ℃, extrémní teplotní rozdíl je 72 ℃ a výstupek je vážně nedostatečně chlazen. Při skutečné výrobě je snadné způsobit nerovnoměrné ochlazování vstřikovaných výrobků, velké deformace a nekvalitní výrobky; forma konformního vodního kanálu je rovnoměrnější než forma tradičního obrobeného vodního kanálu, teplotní gradient je jemnější, nejvyšší teplota je asi 40 ℃ a chladicí efekt je ideální, což přispívá k řízení chlazení a deformace produktu a zlepšení kvality produktu.

Hlavními faktory ovlivňujícími tepelnou deformaci jsou trendový efekt, nerovnoměrné ochlazování a nerovnoměrné smršťování. Prostřednictvím Moldflow analýzy jsou faktory každé deformace rozloženy, jsou nalezeny hlavní faktory ovlivňující deformaci a následně jsou provedena odpovídající vylepšení pro snížení deformace. Protože materiál neobsahuje skleněné vlákno, nedochází k orientované deformaci. Jak je vidět z obrázku 5, hlavním deformačním faktorem ovlivňujícím tento produkt je deformace způsobená nerovnoměrným smrštěním, takže tloušťku stěny produktu lze změnit, aby byl jednotnější.

Obrázek 6 je srovnání tepelné deformace vložek forem mezi tradičními vodními kanály a konformními vodními kanály. Je vidět, že deformace konformních vodních kanálů a tradičních obráběných vodních kanálů je blízko a oba jsou v ovladatelném rozsahu. Je to především proto, že hlavním faktorem ovlivňujícím deformaci je smršťovací deformace způsobená nerovnoměrnou tloušťkou stěny.

2.3 Analýza konformního uspořádání vodního kanálu

Konformní vodní kanály mohou být blíže k dutině než tradiční obráběné vodní kanály a vzdálenost mezi vodním kanálem a dutinou je větší nebo rovna 2/3 průměru vodního kanálu. Záleží na struktuře formy. Pokud jsou vedle ejektorové otvory, šikmé ejektorové otvory, vkládací otvory atd., doporučuje se, aby vzdálenost mezi vodním kanálem a dutinou byla větší nebo rovna průměru vodního kanálu. Obrázky 7 a 8 jsou v tomto pořadí srovnáním chladicích účinků vodních kanálků vzdálených 2.5 mm a 5.0 mm od dutiny. Při srovnání lze vidět, že chladicí účinek vodního kanálu vzdáleného 2.5 mm od dutiny je lepší než chladicí účinek vodního kanálu vzdáleného 5.0 mm od dutiny. Čím kratší vzdálenost, tím rovnoměrnější je teplota břitové destičky a kratší cyklus chlazení. Je vidět, že podle rozumných zásad platí, že čím blíže je vodní kanál k dutině, tím lepší je chladicí účinek, ale je třeba poznamenat, že vzdálenost mezi vodním kanálem a dutinou je vždy stejná.

2.4 Analýza konformního návrhu průřezu vodního kanálu

Plocha průřezu konformních vodních kanálů je stejná jako u tradičních vrtaných vodních kanálů a oba by měly být během návrhu co nejvíce konzistentní. Tento experiment navrhuje schémata eliptického a kruhového průřezu, jak je znázorněno na obrázku 9(a) a obrázku 10(a). Z výše uvedeného srovnání je vidět, že vodní kanál s eliptickým trojúhelníkovým průřezem má větší průtok vody, lepší chladicí účinek, kratší cyklus a rovnoměrnější teplotu vložky než vodní kanál s kruhovým průřezem. Čím větší je tedy plocha průřezu pro transport vody, tím lepší je chladicí účinek. Cyklus chlazení je důležitým parametrem pro zkušební formy vstřikovacího lisu a konformní vodní kanály mohou dobře zlepšit chladicí cyklus.

Tradiční obrobený vodní kanál a konformní vodní kanál jsou zavedeny do Moldflow a srovnávací účinek těchto dvou je analyzován vložením stejného vstřikovacího materiálu (PETG, informace o materiálu viz tabulka 2) a stejných parametrů procesu teploty vody (vstup teplota vody je nastavena na 20 °C).

Z výsledků analýzy simulace Moldflow na obrázcích 11 a 12 je vidět, že chladicí cyklus konformního vodního kanálu je 19 s (včetně 5 s doby otevření a zavření formy), zatímco chladicí cyklus tradičního obrobeného vodního kanálu je 27 s. (včetně 5s doby otevření a zavření formy). Konformní vodní kanál je lepší než tradiční obráběný vodní kanál a jeho cyklus je zkrácen o 30 %, čímž je dosaženo optimalizačního cíle.

3 Ověření formy

Po analýze toku formy je určen návrh struktury formy a Kovové 3D tiskové zařízení SLM (HBDG350) nezávisle vyvinuto Technologie Hanbang se používá pro tisk. Proces tisku a skutečný produkt po tisku jsou znázorněny na obrázku 13. Po tisku se provádí řezání drátem, tepelné zpracování a obrábění a poté je forma instalována pro zkušební vstřikování produktu; zkušební forma ověřuje hlavně chladící cyklus formy a teplotu vložky, protože chladící cyklus ovlivní efektivitu výroby a teplota vložky ovlivní efektivitu výroby a kvalitu produktu. Čím kratší je chladicí cyklus, tím vyšší je efektivita výroby a vyšší ekonomické přínosy; čím rovnoměrnější je teplota břitové destičky, tím lepší je kvalita produktu a vyšší efektivita výroby. Po ověření zkušební formy mají produkty vytvořené 3D tiskovým konformním řešením chlazení vodním kanálem zlepšení efektivity výroby o více než 30 % ve srovnání s tradiční formou vodního kanálu a míra defektů je téměř nulová, což plně vyhovuje výrobě a požadavky na použití.

Závěr 4

1) Jako substrát se používá kompozitní materiál z formovací oceli vyztužený částicemi WC a jeho výkon se poté zlepší 3D tisk. Pevnost v tlaku a mez kluzu v tlaku kompozitního materiálu s přidaným 30 % (hmotnostní frakce) WC dosáhly 1757 MPa a 1677 MPa, což je asi o 20 % vyšší než kompresní výkon matrice ocelové formy. Kompozitní materiál lze použít ve formách pro 3D tisk ke snížení deformace formy a zlepšení kvality produktu.

2) Samonosná konstrukce chladicí formy s konformním eliptickým vodním kanálem překonává konvenční limit průměru vodního kanálu a zlepšuje účinnost chlazení formy. Konformní design může snížit maximální teplotu povrchu formy o 47.4 %, průměrnou teplotu povrchu formy o 40.9 % a rovnoměrnost teploty povrchu formy o 1.8 %. Chladicí účinek je výrazně zlepšen a forma konformního vodního kanálu může účinně snížit deformaci produktu, zlepšit rozměrovou stabilitu produktu a výrazně zlepšit kvalitu produktu.

3) Ve srovnání s tradičními formami s vodním kanálem je efektivita výroby produktů vytvořených 3D tiskovým schématem konformního chlazení vodního kanálu zvýšena o více než 30%, což plně vyhovuje požadavkům na výrobu a použití.