O molde de arrefriamento conformado foi fabricado por Tecnoloxía de impresión 3D, e o substrato de impresión 3D foi estudado. A resistencia á compresión e o límite de fluencia a compresión do material composto impreso en 3D cun 30% (fracción de masa) de carburo de tungsteno (WC) engadido alcanzaron os 1757 MPa e 1677 MPa respectivamente, o que é un 20% máis alto que o rendemento de compresión da matriz de aceiro do molde. Tendo en conta os problemas de tempo de arrefriamento longo, deformación do produto e inestabilidade dimensional no deseño do molde, deseñouse un molde de canle de auga de refrixeración conforme baseado na impresión 3D de metal e realizouse a análise de simulación coa axuda do software Moldflow. Os resultados mostran que a solución de canle de auga conforme pode mellorar significativamente a eficiencia de arrefriamento e reducir a deformación do produto. A tecnoloxía de impresión 3D metálica ten unha ampla gama de valores de aplicación no campo dos moldes de refrixeración conformes. Os produtos plásticos fórmanse principalmente en máquinas de moldeo por inxección mediante moldes. En todo o proceso de produción, o tempo e o custo de fabricación de moldes de inxección son os máis altos. Hoxe en día, a crecente demanda de produtos personalizados en lotes pequenos levou ao rápido desenvolvemento da industria do molde e á competencia cada vez máis feroz. Por iso, ademais de mellorar continuamente a calidade e o rendemento dos moldes de inxección, tamén é necesario minimizar os seus custos de produción e acurtar o ciclo de desenvolvemento do produto para conquistar rapidamente o mercado.

No proceso de moldaxe de pezas de plástico, a fase de arrefriamento representa 2/3 de todo o ciclo de moldeo. Un tempo de arrefriamento insuficiente pode causar defectos como marcas de contracción e deformación das pezas de plástico. O tempo de arrefriamento demasiado longo tamén afectará á eficiencia da produción e ao custo das pezas de plástico. Polo tanto, mellorar a eficiencia de disipación de calor do molde e acurtar o tempo de arrefriamento convertéronse nas principais direccións de investigación da industria do molde. Entre eles, o deseño de canles de auga con forma especial é unha das solucións eficaces para mellorar a eficiencia de disipación de calor do molde e acurtar o tempo de arrefriamento. A canle tradicional de auga de refrixeración do molde está limitada pola tecnoloxía de procesamento e só se pode conseguir perforando buratos no molde. Non obstante, un molde adoita ter mecanismos complexos, como barras de empuxe, columnas de guía inclinadas e deslizadores. Ao deseñar a canle de auga, é necesario evitar certos mecanismos existentes do molde. Polo tanto, converteuse nunha tarefa moi difícil de facer unha canle de auga de refrixeración eficaz no molde para arrefriar as pezas de plástico de forma rápida e uniforme.

Tomando como exemplo os moldes de inxección, os moldes de inxección existentes teñen os seguintes problemas principais debido aos factores de refrixeración: (1) A tecnoloxía de procesamento de moldes existente limita a tecnoloxía de procesamento da canle de auga, o que resulta na imposibilidade de satisfacer plenamente os requisitos de refrixeración das pezas de plástico, o que resulta en problemas como a calidade inferior das pezas de plástico ou a incapacidade de moldear directamente; (2) A tecnoloxía de procesamento de moldes existente limita a eficiencia de arrefriamento da canle de auga, prolonga o tempo de arrefriamento, afecta aínda máis o tempo de expulsión do produto moldeado por inxección, afectando así a eficiencia da produción e atrasando a promoción do mercado do produto; (3) O problema de arrefriamento durante o proceso de moldaxe por inxección do produto adoita restrinxir o deseño estrutural e funcional do produto. O proceso de pulverización durante a inxección a alta presión ten dous obxectivos principais: un é a lubricación para mellorar o desmoldeo; a outra é actuar como medio de pulverización para arrefriar. A tendencia do desenvolvemento industrial é minimizar ou eliminar a etapa de pulverización. O uso dun deseño de arrefriamento conforme pode reducir a demanda de pulverización, prolongar a vida útil do molde e garantir a calidade das pezas moldeadas por inxección.

A tecnoloxía de impresión 3D con láser metálico baséase no principio da fabricación en capas e no moldeado por superposición capa por capa. Segundo o modelo estrutural tridimensional das pezas necesarias, deséñase o ficheiro do modelo de corte. O material en po metálico fúndese segundo a traxectoria de exploración establecida mediante equipos de impresión 3D con láser, solidificados e formados, e superpostos capa por capa, que poden formar pezas con calquera forma xeométrica complexa7. En comparación cos métodos de procesamento tradicionais, a fusión selectiva con láser (SLM) pode producir núcleos e cavidades de moldes con canles de auga conformes complexas de alta precisión, o que reduce moito o tempo de arrefriamento do molde e acurta o ciclo de fabricación do molde.

Baseado na tecnoloxía de impresión 3D metálica, este traballo estuda o rendemento do substrato de impresión, deseña un sistema de refrixeración conforme preciso para moldes de inxección, utiliza un software de análise de fluxo de moldes para analizar o rendemento dos moldes de refrixeración conforme e optimiza os parámetros clave do proceso dos moldes de arrefriamento conformado. , e utiliza tecnoloxía de impresión 3D para imprimir o molde e realizar probas de moldeo por inxección.

1 Investigación de materiais

Segundo as necesidades das pezas do molde, seleccione un aceiro de alta resistencia e baixo carbono con boa resistencia á corrosión e alta dureza. A impresión de materiais compostos é a dirección actual de investigación da fabricación de aditivos metálicos. Ao engadir a fase cerámica de carburo de tungsteno (WC), pódese mellorar a resistencia e dureza da matriz, así como a resistencia ao desgaste e á calor, pero, ao mesmo tempo, tamén provocará problemas como a diminución da plasticidade. Analizar e explorar o mecanismo de reforzo da fase cerámica e a unión entre a fase cerámica e a interface da matriz é unha forma eficaz de controlar o rendemento global do material composto e mellorar a dureza.

A fracción de masa de WC no aceiro do molde é do 30% e os parámetros do proceso de moldaxe SLM móstranse na táboa 1. A densidade da mostra moldeada medida polo método de drenaxe é de 9.11 g·cm'-3. Despois de formar unha mostra de material composto de aceiro do molde WC do 30% (fracción de masa), despois dunha solución a alta temperatura a 900 ℃ durante 1 h e un tratamento térmico de envellecemento a 500 ℃ durante 4 h, detéctase que a dureza é tan alta como 52.4 HRC. Mediante experimentos, pódese ver que a súa dureza está positivamente correlacionada coa súa densidade. Canto maior sexa a densidade, menor será o número de poros internos e maior dureza. A dureza do material de aceiro do molde sen aditivos despois do tratamento térmico de envellecemento da solución é de 48HRC. En comparación, a dureza global do aceiro do molde con WC engadido mellora ata certo punto, o que indica que unha pequena cantidade de partículas de WC se disolve na matriz durante o proceso de tratamento da solución.

Como se pode ver na Figura 1, agás algunhas partículas de WC que manteñen unha interface esférica completa e suave, outras partículas de WC disolvense durante o proceso de tratamento da solución, converténdose en esferas elípticas ou defectuosas, e as pequenas partículas de WC desaparecen. Isto mostra que as partículas de WC están parcialmente disoltas na matriz e fórmase un forte vínculo metalúrxico entre as partículas e o substrato, o que mellora significativamente a resistencia e dureza xeral do material, o que tamén se pode reflectir no cambio de dureza do material. material composto.

Os resultados das probas de rendemento de compresión de materiais compostos con diferentes fraccións de masa (WC) mostran que a medida que aumenta a fracción de masa do WC, a resistencia á compresión e o límite de fluencia a compresión do material composto aumentan gradualmente. A resistencia á compresión e o límite de fluencia á compresión do material composto cun 30% de WC engadido son de 1757 MPa e 1677 MPa, respectivamente, o que é un 20% máis alto que o rendemento de compresión da matriz de aceiro do molde, e as pezas comprimidas non están fracturadas. pero prodúcese a deformación por compresión. Polo tanto, os compostos WC utilizados como substratos son beneficiosos para mellorar o rendemento do molde.

2 Deseño e análise da canle de auga conforme ao molde

Tendo en conta as características estruturais dos produtos de deseño de moldes de canles de auga conformes, primeiro empregamos o software de análise Moldflow para comparar a análise do fluxo de moldes de varios casos típicos con canles de auga tradicionais, exploramos os puntos quentes, os gradientes de temperatura, a deformación térmica e outros problemas no proceso de moldaxe por inxección, deseñou canles de auga conformes con diferentes curvaturas, distancias desde a cavidade e formas de sección transversal, e continuounos iterando e optimizándoos, co obxectivo de aumentar a eficiencia da produción en máis dun 30%. Analizamos e resumimos a relación entre o efecto de arrefriamento e as características estruturais e dimensións da canle de auga conforme, centrándonos na distancia mínima entre a canle de auga e a superficie do molde en diferentes condicións de traballo, así como o rendemento de vida útil e o rendemento de refrixeración en diferentes distancias, os requisitos de diferentes características estruturais e sistemas de materiais de moldaxe por inxección para o fluxo de auga, e a coherencia entre os resultados da análise de simulación do software e os resultados reais.

2.1 Deseño de canles de auga conformes

A través do estudo da estrutura típica e das características do material do produto, analízase o gradiente de temperatura do proceso de moldaxe por inxección mediante un software de análise de elementos finitos e deséñanse canles de auga conformes con diferentes curvaturas, distancias desde a cavidade e formas de sección transversal. . O efecto de arrefriamento da canle de auga conforme analízase e optimízase de forma iterativa, e a análise que combina teoría e práctica realízase mediante experimentos para establecer a relación entre o gradiente de temperatura e a estrutura da canle de auga conforme e determinar previamente o estándar de deseño da canle de auga conforme. .

Tome como exemplo o molde da cuberta superior dun determinado produto: segundo o principio de que a distancia entre a canle de auga de refrixeración e a superficie de cola debe ser superior a 2/3 do diámetro da canle de auga, o deseño profundo dos ósos e a cintura innovadora. En primeiro lugar deséñanse a canle de auga conformada lisa de sección transversal en forma, como se mostra na Figura 2.

2.2 Análise do punto quente do molde e da deformación

A posición do punto quente é analizada polo software Moldflow, como se mostra na figura 3. A posición do punto quente é de 12 pequenas columnas saíntes, que son as pezas que deben ser arrefriadas. O gradiente de temperatura afecta a deformación do arrefriamento do produto. En xeral, canto máis uniforme sexa a temperatura, mellor, e a diferenza entre as temperaturas máis altas e máis baixas non debe superar os 20 ℃.

Como se pode ver na Figura 4, a temperatura máis alta da superficie do molde da canle de auga mecanizada tradicional é de 102 ℃, a máis baixa é de 30 ℃, a diferenza de temperatura extrema é de 72 ℃ e a protuberancia está seriamente insuficientemente arrefriada. Na produción real, é fácil provocar un arrefriamento desigual dos produtos moldeados por inxección, unha gran deformación e unha calidade inferior do produto; o molde da canle de auga conformada é máis uniforme que o da canle de auga mecanizada tradicional, o gradiente de temperatura é máis suave, a temperatura máis alta é duns 40 ℃ e o efecto de arrefriamento é ideal, o que favorece o control do arrefriamento e a deformación do produto. e mellora da calidade do produto.

Os principais factores que afectan á deformación térmica son o efecto de tendencia, o arrefriamento irregular e a contracción desigual. A través da análise de Moldflow, descompoñen os factores de cada deformación, atópanse os principais factores que afectan á deformación e, a continuación, realízanse as melloras correspondentes para reducir a deformación. Debido a que o material non contén fibra de vidro, non hai deformación orientada. Como se pode ver na Figura 5, o principal factor de deformación que afecta a este produto é a deformación causada pola contracción desigual, polo que o grosor da parede do produto pódese cambiar para facelo máis uniforme.

A figura 6 é unha comparación da deformación térmica das insercións de moldes entre as canles de auga tradicionais e as canles de auga conformes. Pódese ver que a deformación das canles de auga conformes e das canles de auga mecanizadas tradicionais é próxima e ambos están dentro do rango controlable. Isto débese principalmente a que o principal factor que afecta á deformación é a deformación por encollemento causada polo espesor desigual da parede.

2.3 Análise do trazado da canle de auga conforme

As canles de auga conformes poden estar máis preto da cavidade que as canles de auga mecanizadas tradicionais, e a distancia entre a canle de auga e a cavidade é maior ou igual a 2/3 do diámetro da canle de auga. Depende da estrutura do molde. Se ao seu carón hai buracos de expulsión, orificios de expulsión inclinados, orificios de inserción, etc., recoméndase que a distancia entre a canle de auga e a cavidade sexa maior ou igual ao diámetro da canle de auga. As figuras 7 e 8 son respectivamente unha comparación dos efectos de arrefriamento das canles de auga a 2.5 mm e 5.0 mm de distancia da cavidade. En comparación, pódese ver que o efecto de arrefriamento da canle de auga a 2.5 mm de distancia da cavidade é mellor que o da canle de auga a 5.0 mm de distancia da cavidade. Canto menor sexa a distancia, máis uniforme será a temperatura da inserción e menor será o ciclo de arrefriamento. Pódese ver que, segundo principios razoables, canto máis preto estea a canle de auga da cavidade, mellor será o efecto de arrefriamento, pero hai que ter en conta que a distancia entre a canle de auga e a cavidade sempre é uniforme.

2.4 Análise do deseño da sección transversal da canle de auga conforme

A área de sección transversal das canles de auga conformes é a mesma que a das canles de auga perforadas tradicionais, e ambas deben manterse coherentes na medida do posible durante o deseño. Este experimento propón esquemas de deseño de sección transversal elíptica e circular, como se mostra na Figura 9 (a) e na Figura 10 (a). A partir da comparación anterior, pódese ver que a canle de auga cunha sección transversal triangular elíptica ten un caudal de auga maior, un mellor efecto de arrefriamento, un ciclo máis curto e unha temperatura de inserción máis uniforme que a canle de auga cunha sección transversal circular. Polo tanto, canto maior sexa a área de sección transversal de transporte de auga, mellor será o efecto de arrefriamento. O ciclo de refrixeración é un parámetro importante para os moldes de proba de produtos de moldaxe por inxección, e as canles de auga conformes poden mellorar ben o ciclo de arrefriamento.

A canle de auga mecanizada tradicional e a canle de auga conforme introdúcense en Moldflow, e o efecto comparativo dos dous analízase cargando o mesmo material de moldeo por inxección (PETG, información sobre material ver a táboa 2) e os mesmos parámetros de proceso de temperatura da auga (a entrada a temperatura da auga está configurada en 20 ℃).

A partir dos resultados da análise de simulación de Moldflow nas Figuras 11 e 12, pódese ver que o ciclo de arrefriamento da canle de auga conformada é de 19 segundos (incluíndo 5 segundos de tempo de apertura e peche do molde), mentres que o ciclo de arrefriamento da canle de auga mecanizada tradicional é de 27 segundos. (incluíndo 5 segundos de tempo de apertura e peche do molde). A canle de auga conformada é superior á canle de auga mecanizada tradicional e o seu ciclo redúcese nun 30%, conseguindo o obxectivo de optimización.

3 Verificación de moldes

Despois da análise do fluxo do molde, determínase o deseño da estrutura do molde e o Equipo de impresión 3D de metal SLM (HBDG350) desenvolvido de forma independente por Tecnoloxía Hanbang úsase para imprimir. O proceso de impresión e o produto real despois da impresión móstranse na Figura 13. Despois da impresión, realízanse o corte de fío, o tratamento térmico e o mecanizado e, a continuación, instálase o molde para o moldeado por inxección de moldes de proba de produtos; o molde de proba verifica principalmente o ciclo de arrefriamento do molde e a temperatura da inserción, porque o ciclo de arrefriamento afectará á eficiencia da produción e a temperatura da inserción afectará á eficiencia da produción e á calidade do produto. Canto máis curto sexa o ciclo de refrixeración, maior será a eficiencia de produción e maiores beneficios económicos; canto máis uniforme sexa a temperatura da inserción, mellor será a calidade do produto e maior será a eficiencia de produción. Despois da verificación do molde de proba, os produtos formados pola solución de refrixeración da canle de auga conforme á impresión 3D teñen unha mellora da eficiencia de produción de máis do 30% en comparación co molde tradicional da canle de auga, e a taxa de defectos é case cero, o que cumpre plenamente coa produción e requisitos de uso.

4 Conclusión

1) O material composto de aceiro do molde reforzado con partículas WC úsase como substrato e o seu rendemento mellórase despois de impresión 3D. A resistencia á compresión e o límite de fluencia á compresión do material composto cun 30% (fracción de masa) de WC engadido alcanzaron os 1757 MPa e 1677 MPa respectivamente, o que é un 20% máis alto que o rendemento de compresión da matriz de aceiro do molde. O material composto pódese usar en moldes de impresión 3D para reducir a deformación do molde e mellorar a calidade do produto.

2) O deseño do molde de refrixeración conforme da canle de auga elíptica autoportante rompe o límite de diámetro da canle de auga convencional e mellora a eficiencia de arrefriamento do molde. O deseño conforme pode reducir a temperatura máxima da superficie do molde nun 47.4%, a temperatura media da superficie do molde nun 40.9% e a uniformidade da temperatura da superficie do molde nun 1.8%. O efecto de arrefriamento mellora significativamente e o molde da canle de auga conforme pode reducir eficazmente a deformación do produto, mellorar a estabilidade dimensional do produto e mellorar significativamente a calidade do produto.

3) En comparación cos moldes tradicionais da canle de auga, a eficiencia de produción dos produtos formados polo esquema de refrixeración da canle de auga conforme á impresión 3D aumenta en máis dun 30%, o que cumpre plenamente os requisitos de produción e uso.