Konformni kalup za hlađenje proizveo je 3D tehnologija ispisa, a supstrat od 3D ispis je proučavan. Tlačna čvrstoća i tlačna čvrstoća tečenja 3D tiskanog kompozitnog materijala s 30% (masenog udjela) dodanog volfram karbida (WC) dosegle su 1757MPa odnosno 1677MPa, što je oko 20% više od performansi kompresije čelične matrice kalupa. S obzirom na probleme dugog vremena hlađenja, savijanja proizvoda i dimenzionalne nestabilnosti u dizajnu kalupa, dizajniran je konformni kalup za rashladnu vodu temeljen na metalnom 3D printanju, a analiza simulacije provedena je uz pomoć softvera Moldflow. Rezultati pokazuju da rješenje konformnog vodenog kanala može značajno poboljšati učinkovitost hlađenja i smanjiti deformaciju proizvoda. Tehnologija metalnog 3D ispisa ima širok raspon vrijednosti primjene u području konformnih kalupa za hlađenje. Plastični proizvodi se uglavnom oblikuju u strojevima za injekcijsko prešanje pomoću kalupa. U cjelokupnom procesu proizvodnje vrijeme i troškovi izrade kalupa za brizganje su najveći. U današnje vrijeme sve veća potražnja za personaliziranim proizvodima malih serija dovela je do brzog razvoja industrije kalupa i sve žešće konkurencije. Stoga je, osim stalnog poboljšanja kvalitete i performansi kalupa za injekcijsko prešanje, također potrebno minimizirati troškove njegove proizvodnje i skratiti ciklus razvoja proizvoda kako bi se brzo osvojilo tržište.

U procesu oblikovanja plastičnih dijelova faza hlađenja čini 2/3 cjelokupnog ciklusa kalupljenja. Nedovoljno vrijeme hlađenja može uzrokovati nedostatke kao što su tragovi skupljanja i savijanje plastičnih dijelova. Predugo vrijeme hlađenja također će utjecati na učinkovitost proizvodnje i cijenu plastičnih dijelova. Stoga su poboljšanje učinkovitosti rasipanja topline kalupa i skraćivanje vremena hlađenja postali ključni pravci istraživanja industrije kalupa. Među njima, dizajn vodenih kanala posebnog oblika jedno je od učinkovitih rješenja za poboljšanje učinkovitosti rasipanja topline kalupa i skraćivanje vremena hlađenja. Tradicionalni kanal vode za hlađenje kalupa ograničen je tehnologijom obrade i može se postići samo bušenjem rupa u kalupu. Međutim, kalup često ima složene mehanizme, kao što su potisne šipke, nagnuti stupovi za vođenje i klizači. Prilikom projektiranja vodenog kanala potrebno je izbjegavati određene postojeće mehanizme kalupa. Stoga je postao vrlo težak zadatak napraviti učinkovit kanal za rashladnu vodu u kalupu za brzo i ravnomjerno hlađenje plastičnih dijelova.

Uzimajući kalupe za brizganje kao primjer, postojeći kalupi za brizganje imaju sljedeće glavne probleme zbog čimbenika hlađenja: (1) Postojeća tehnologija obrade kalupa ograničava tehnologiju obrade kanala za vodu, što rezultira nemogućnošću potpunog ispunjavanja zahtjeva za hlađenjem plastičnih dijelova, što rezultira kod problema kao što je kvaliteta plastičnih dijelova ispod standarda ili nemogućnost izravnog kalupljenja; (2) Postojeća tehnologija obrade kalupa ograničava učinkovitost hlađenja vodenog kanala, produljuje vrijeme hlađenja, dodatno utječe na vrijeme izbacivanja proizvoda lijevanog injekcijskim prešanjem, čime utječe na učinkovitost proizvodnje i odgađa promociju proizvoda na tržištu; (3) Problem hlađenja tijekom procesa injekcijskog prešanja proizvoda često ograničava strukturni i funkcionalni dizajn proizvoda. Proces raspršivanja tijekom ubrizgavanja pod visokim pritiskom ima dvije glavne svrhe: jedna je podmazivanje radi poboljšanja vađenja iz kalupa; drugi je da djeluje kao raspršivač za hlađenje. Trend industrijskog razvoja je minimiziranje ili eliminiranje koraka prskanja. Korištenje konformnog dizajna hlađenja može smanjiti zahtjeve za raspršivanjem, produljiti vijek trajanja kalupa i osigurati kvalitetu dijelova lijevanih injekcijom1.

Tehnologija metalnog laserskog 3D ispisa temelji se na principu slojevite proizvodnje i superpozicijskog kalupljenja sloj po sloj. Prema trodimenzionalnom strukturnom modelu potrebnih dijelova, dizajnira se datoteka modela presjeka. Metalni praškasti materijal se topi u skladu s utvrđenom putanjom skeniranja pomoću opreme za laserski 3D ispis, skrućuje se i oblikuje, te nanosi sloj po sloj, koji može oblikovati dijelove bilo kojeg složenog geometrijskog oblika7. U usporedbi s tradicionalnim metodama obrade, lasersko selektivno taljenje (SLM) može proizvesti jezgre kalupa i šupljine sa složenim konformnim vodenim kanalima visoke preciznosti, što uvelike smanjuje vrijeme hlađenja kalupa i skraćuje ciklus proizvodnje kalupa.

Temeljen na tehnologiji 3D ispisa metala, ovaj rad proučava performanse podloge za ispis, dizajnira precizan konformni rashladni sustav za injekcijske kalupe, koristi softver za analizu toka kalupa za analizu performansi konformnih rashladnih kalupa, optimizira ključne procesne parametre konformnih rashladnih kalupa , i koristi tehnologiju 3D ispisa za ispis kalupa i provođenje testova injekcijskog prešanja.

1 Istraživanje materijala

U skladu s potrebama dijelova kalupa, odaberite niskougljični čelik visoke čvrstoće s dobrom otpornošću na koroziju i velikom tvrdoćom. Tisak kompozitnih materijala trenutni je smjer istraživanja proizvodnje metalnih aditiva. Dodavanjem keramičke faze volfram karbida (WC), čvrstoća i tvrdoća matrice, kao i otpornost na habanje i toplinu, mogu se poboljšati, ali u isto vrijeme, to će također donijeti probleme kao što je smanjena plastičnost. Analiza i istraživanje mehanizma ojačanja keramičke faze i veze između keramičke faze i sučelja matrice učinkovit je način za kontrolu ukupne izvedbe kompozitnog materijala i poboljšanje žilavosti.

Maseni udio WC u kalupnom čeliku iznosi 30%, a parametri procesa SLM kalupljenja prikazani su u tablici 1. Gustoća kalupljenog uzorka izmjerena metodom drenaže iznosi čak 9.11 g·cm'-3. Nakon formiranja uzorka kompozitnog materijala od 30% (maseni udio) WC kalupnog čelika, nakon visokotemperaturne otopine na 900 ℃ tijekom 1 sata i toplinske obrade starenja na 500 ℃ tijekom 4 sata, utvrđeno je da je tvrdoća čak 52.4 HRC. Kroz pokuse se može vidjeti da je njegova tvrdoća u pozitivnoj korelaciji s njegovom gustoćom. Što je veća gustoća, to je manji broj unutarnjih pora i veća je tvrdoća. Tvrdoća čeličnog materijala kalupa bez aditiva nakon toplinske obrade starenjem u otopini je 48HRC. Za usporedbu, ukupna tvrdoća kalupnog čelika s dodatkom WC poboljšana je u određenoj mjeri, što ukazuje da je mala količina WC čestica otopljena u matrici tijekom procesa obrade otopinom.

Kao što se može vidjeti na slici 1, osim nekih čestica WC-a koje održavaju potpuno i glatko sferično sučelje, druge čestice WC-a se otapaju tijekom procesa obrade otopine, postajući eliptične ili neispravne kuglice, a male čestice WC-a nestaju. To pokazuje da su čestice WC-a djelomično otopljene u matrici, te se stvara jaka metalurška veza između čestica i podloge, što značajno poboljšava ukupnu čvrstoću i tvrdoću materijala, što se također može odraziti na promjenu tvrdoće materijala. kompozitni materijal.

Rezultati ispitivanja kompresijskih svojstava kompozitnih materijala s različitim masenim udjelima (WC) pokazuju da kako se maseni udio WC povećava, tlačna čvrstoća i tlačna granica tečenja kompozitnog materijala postupno rastu. Tlačna čvrstoća i tlačna čvrstoća tečenja kompozitnog materijala s 30% dodanog WC-a iznose čak 1757MPa, odnosno 1677MPa, što je oko 20% više od tlačne izvedbe čelične matrice kalupa, a komprimirani dijelovi nisu slomljeni, ali dolazi do kompresijske deformacije. Stoga su WC kompoziti koji se koriste kao supstrati korisni za poboljšanje performansi kalupa.

2 Projektiranje i analiza konformnog vodenog kanala kalupa

S obzirom na strukturne karakteristike proizvoda za dizajn kalupa s konformnim kanalom za vodu, prvo smo upotrijebili softver za analizu Moldflow kako bismo usporedili analizu protoka kalupa nekoliko tipičnih slučajeva s tradicionalnim kanalima za vodu, istražili vruće točke, gradijente temperature, toplinsku deformaciju i druga pitanja u procesom injekcijskog prešanja, projektirao konformne kanale za vodu s različitim zakrivljenostima, udaljenostima od šupljine i oblicima poprečnog presjeka te ih kontinuirano ponavljao i optimizirao, s ciljem povećanja učinkovitosti proizvodnje za više od 30%. Analizirali smo i saželi odnos između učinka hlađenja i strukturnih karakteristika i dimenzija konformnog kanala za vodu, fokusirajući se na minimalnu udaljenost između kanala za vodu i površine kalupa u različitim radnim uvjetima, kao i radni vijek i učinak hlađenja pri različite udaljenosti, zahtjevi različitih strukturnih karakteristika i sustava materijala za injekcijsko prešanje za protok vode, te dosljednost između rezultata analize simulacije softvera i stvarnih rezultata.

2.1 Konformni dizajn vodenog kanala

Kroz proučavanje tipične strukture i materijalnih karakteristika proizvoda, temperaturni gradijent procesa injekcijskog prešanja analiziran je pomoću softvera za analizu konačnih elemenata, te su dizajnirani konformni vodeni kanali različite zakrivljenosti, udaljenosti od šupljine i oblika poprečnog presjeka . Učinak hlađenja konformnog vodenog kanala analizira se i optimizira iterativno, a analiza koja kombinira teoriju i praksu provodi se kroz eksperimente kako bi se utvrdio odnos između temperaturnog gradijenta i strukture konformnog vodenog kanala i preliminarno odredio standard dizajna konformnog vodenog kanala .

Uzmimo kalup gornjeg poklopca određenog proizvoda kao primjer: prema načelu da udaljenost između kanala za rashladnu vodu i površine ljepila mora biti veća od 2/3 promjera kanala za vodu, duboki raspored kostiju i inovativni struk Glatki konformni vodeni kanal u obliku poprečnog presjeka prvo se projektuje, kao što je prikazano na slici 2.

2.2 Analiza vrućih točaka kalupa i deformacije

Položaj vruće točke analizira softver Moldflow, kao što je prikazano na slici 3. Položaj vruće točke je 12 izbočenih malih stupova, koji su dijelovi koje je potrebno ohladiti. Temperaturni gradijent utječe na deformaciju proizvoda pri hlađenju. Općenito govoreći, što je temperatura ujednačenija, to bolje, a razlika između najviše i najniže temperature ne smije prelaziti 20 ℃.

Kao što se može vidjeti na slici 4, najviša temperatura površine kalupa tradicionalnog strojno obrađenog vodenog kanala je 102 ℃, najniža je 30 ℃, ekstremna temperaturna razlika je 72 ℃, a izbočina je ozbiljno nedovoljno ohlađena. U stvarnoj proizvodnji lako je uzrokovati neravnomjerno hlađenje proizvoda lijevanih injekcijskim prešanjem, velike deformacije i kvalitetu proizvoda ispod standarda; kalup konformnog vodenog kanala ujednačeniji je od kalupa tradicionalnog strojno obrađenog vodenog kanala, temperaturni gradijent je blaži, najviša temperatura je oko 40 ℃, a učinak hlađenja je idealan, što pogoduje kontroli hlađenja i deformacije proizvoda i poboljšanje kvalitete proizvoda.

Glavni čimbenici koji utječu na toplinsku deformaciju su efekt trenda, neravnomjerno hlađenje i neravnomjerno skupljanje. Analizom Moldflowa čimbenici svake deformacije se rastavljaju, pronalaze se glavni čimbenici koji utječu na deformaciju, a zatim se provode odgovarajuća poboljšanja za smanjenje deformacije. Budući da materijal ne sadrži staklena vlakna, nema usmjerene deformacije. Kao što se može vidjeti na slici 5, glavni faktor deformacije koji utječe na ovaj proizvod je deformacija uzrokovana neravnomjernim skupljanjem, tako da se debljina stijenke proizvoda može promijeniti kako bi bila ujednačenija.

Slika 6 je usporedba toplinske deformacije kalupnih umetaka između tradicionalnih vodenih kanala i konformnih vodenih kanala. Može se vidjeti da je deformacija konformnih vodenih kanala i tradicionalnih strojno obrađenih vodenih kanala slična i oba su unutar kontroliranog raspona. To je uglavnom zato što je glavni faktor koji utječe na deformaciju deformacija skupljanja uzrokovana nejednakom debljinom stijenke.

2.3 Analiza konformnog rasporeda vodenog kanala

Konformni vodeni kanali mogu biti bliže šupljini od tradicionalnih strojno obrađenih vodenih kanala, a udaljenost između vodenog kanala i šupljine veća je ili jednaka 2/3 promjera vodenog kanala. Ovisi o strukturi kalupa. Ako pored njega postoje otvori za izbacivanje, kosi otvori za izbacivanje, otvori za umetanje itd., preporučuje se da udaljenost između kanala za vodu i šupljine bude veća ili jednaka promjeru kanala za vodu. Slike 7 i 8 predstavljaju usporedbu učinaka hlađenja vodenih kanala udaljenih 2.5 mm i 5.0 mm od šupljine. Za usporedbu, može se vidjeti da je učinak hlađenja vodenog kanala udaljenog 2.5 mm od šupljine bolji od onog vodenog kanala udaljenog 5.0 mm od šupljine. Što je udaljenost kraća, temperatura umetka je ujednačenija, a ciklus hlađenja kraći. Može se vidjeti da prema razumnim načelima, što je vodeni kanal bliže šupljini, to je bolji učinak hlađenja, ali treba napomenuti da je udaljenost između vodenog kanala i šupljine uvijek ujednačena.

2.4 Analiza projektiranja konformnog poprečnog presjeka kanala za vodu

Površina poprečnog presjeka konformnih vodenih kanala ista je kao kod tradicionalnih izbušenih vodenih kanala, a oba bi trebala biti dosljedna što je više moguće tijekom projektiranja. Ovaj eksperiment predlaže sheme dizajna eliptičnog i kružnog presjeka, kao što je prikazano na slici 9(a) i slici 10(a). Iz gornje usporedbe može se vidjeti da kanal za vodu s eliptičnim trokutastim poprečnim presjekom ima veći protok vode, bolji učinak hlađenja, kraći ciklus i ujednačeniju temperaturu umetka nego kanal za vodu s kružnim poprečnim presjekom. Stoga, što je veća površina poprečnog presjeka za transport vode, to je bolji učinak hlađenja. Ciklus hlađenja važan je parametar za probne kalupe proizvoda za injekcijsko prešanje, a konformni vodeni kanali mogu dobro poboljšati ciklus hlađenja.

Tradicionalni strojno obrađeni kanal za vodu i konformni kanal za vodu uvode se u Moldflow, a usporedni učinak njih dvoje analizira se umetanjem istog materijala za injekcijsko prešanje (PETG, informacije o materijalu pogledajte tablicu 2) i istim parametrima procesa temperature vode (ulaz temperatura vode je postavljena na 20 ℃).

Iz rezultata simulacijske analize Moldflowa na slikama 11 i 12, može se vidjeti da je ciklus hlađenja konformnog vodenog kanala 19 s (uključujući 5 s vremena otvaranja i zatvaranja kalupa), dok je ciklus hlađenja tradicionalno strojno obrađenog vodenog kanala 27 s (uključujući 5s vremena otvaranja i zatvaranja kalupa). Konformni kanal za vodu je bolji od tradicionalnog strojno obrađenog kanala za vodu, a njegov ciklus je skraćen za 30%, čime se postiže cilj optimizacije.

3 Provjera kalupa

Nakon analize protoka kalupa, utvrđuje se dizajn strukture kalupa i SLM metalna oprema za 3D ispis (HBDG350) neovisno razvijen od strane Hanbang tehnologija koristi se za ispis. Proces tiskanja i stvarni proizvod nakon tiskanja prikazani su na slici 13. Nakon tiskanja izvodi se rezanje žice, toplinska obrada i strojna obrada, a zatim se postavlja kalup za probno injekcijsko prešanje proizvoda; probni kalup uglavnom provjerava ciklus hlađenja kalupa i temperaturu umetka, jer će ciklus hlađenja utjecati na učinkovitost proizvodnje, a temperatura umetka će utjecati na učinkovitost proizvodnje i kvalitetu proizvoda. Što je kraći ciklus hlađenja, to je veća učinkovitost proizvodnje i veće ekonomske koristi; što je ujednačenija temperatura umetka, to je bolja kvaliteta proizvoda i veća učinkovitost proizvodnje. Nakon probne verifikacije kalupa, proizvodi oblikovani 3D ispisom rješenja za hlađenje konformnog vodenog kanala imaju poboljšanje učinkovitosti proizvodnje za više od 30% u usporedbi s tradicionalnim kalupom vodenog kanala, a stopa neispravnosti je gotovo nula, što u potpunosti zadovoljava proizvodne i zahtjevi korištenja.

4 Zaključak

1) Kompozitni materijal čeličnog kalupa ojačanog WC česticama koristi se kao podloga, a njegova se izvedba poboljšava nakon 3D ispis. Tlačna čvrstoća i tlačna čvrstoća tečenja kompozitnog materijala s 30% (maseni udio) dodanog WC-a dosegle su 1757MPa odnosno 1677MPa, što je oko 20% više od tlačne izvedbe čelične matrice kalupa. Kompozitni materijal može se koristiti u kalupima za 3D ispis kako bi se smanjila deformacija kalupa i poboljšala kvaliteta proizvoda.

2) Dizajn konformnog kalupa za hlađenje samonosivog eliptičnog vodenog kanala probija konvencionalno ograničenje promjera vodenog kanala i poboljšava učinkovitost hlađenja kalupa. Konformni dizajn može smanjiti maksimalnu temperaturu površine kalupa za 47.4%, prosječnu temperaturu površine kalupa za 40.9%, a ujednačenost površinske temperature kalupa za 1.8%. Učinak hlađenja značajno je poboljšan, a kalup s konformnim vodenim kanalom može učinkovito smanjiti deformaciju proizvoda, poboljšati dimenzijsku stabilnost proizvoda i značajno poboljšati kvalitetu proizvoda.

3) U usporedbi s tradicionalnim kalupima za vodene kanale, učinkovitost proizvodnje proizvoda oblikovanih 3D ispisom konformne sheme hlađenja vodenih kanala povećana je za više od 30%, što u potpunosti zadovoljava zahtjeve proizvodnje i upotrebe.