Konformalna forma chłodząca została wyprodukowana przez firmę Technologia druku 3Di podłoże 3D drukowanie był studiowany. Wytrzymałość na ściskanie i granica plastyczności na ściskanie drukowanego w 3D materiału kompozytowego z dodatkiem 30% (ułamek masowy) węglika wolframu (WC) osiągnęły odpowiednio 1757 MPa i 1677 MPa, czyli około 20% więcej niż wydajność ściskania osnowy ze stali formy. Mając na uwadze problemy związane z długim czasem chłodzenia, wypaczeniem produktu i niestabilnością wymiarową w konstrukcji formy, zaprojektowano formę z kanałem wody chłodzącej w oparciu o druk 3D z metalu, a analizę symulacyjną przeprowadzono za pomocą oprogramowania Moldflow. Wyniki pokazują, że rozwiązanie konforemnego kanału wodnego może znacznie poprawić wydajność chłodzenia i zmniejszyć deformację produktu. Technologia druku 3D w metalu ma szerokie zastosowanie w obszarze konforemnych form chłodzących. Wyroby z tworzyw sztucznych powstają głównie na wtryskarkach z wykorzystaniem form. W całym procesie produkcyjnym czas i koszt wykonania form wtryskowych są najwyższe. W dzisiejszych czasach rosnące zapotrzebowanie na spersonalizowane produkty małoseryjne doprowadziło do szybkiego rozwoju branży form i coraz bardziej ostrej konkurencji. Dlatego oprócz ciągłego podnoszenia jakości i wydajności form wtryskowych, konieczna jest także minimalizacja kosztów ich wytworzenia oraz skrócenie cyklu rozwoju produktu, aby szybko zdobyć rynek.

W procesie formowania części z tworzywa sztucznego etap chłodzenia stanowi 2/3 całego cyklu formowania. Niewystarczający czas chłodzenia może spowodować wady, takie jak ślady skurczu i wypaczenia części z tworzywa sztucznego. Zbyt długi czas chłodzenia wpłynie również na wydajność produkcji i koszt części z tworzyw sztucznych. Dlatego też poprawa efektywności odprowadzania ciepła przez formę oraz skrócenie czasu chłodzenia stały się kluczowymi kierunkami badań branży form. Wśród nich jednym ze skutecznych rozwiązań poprawiających efektywność odprowadzania ciepła przez formę i skracających czas chłodzenia jest konstrukcja specjalnie ukształtowanych kanałów wodnych. Tradycyjny kanał wody chłodzącej formę jest ograniczony technologią przetwarzania i można go uzyskać jedynie poprzez wywiercenie otworów w formie. Jednakże forma często ma złożone mechanizmy, takie jak popychacze, nachylone kolumny prowadzące i suwaki. Projektując kanał wodny, należy unikać pewnych istniejących mechanizmów formy. Dlatego bardzo trudnym zadaniem stało się wykonanie skutecznego kanału wody chłodzącej w formie w celu szybkiego i równomiernego chłodzenia części z tworzywa sztucznego.

Biorąc za przykład formy wtryskowe, istniejące formy wtryskowe charakteryzują się następującymi głównymi problemami ze względu na czynniki chłodzące: (1) Istniejąca technologia przetwarzania form ogranicza technologię przetwarzania kanałów wodnych, co skutkuje niemożnością pełnego spełnienia wymagań dotyczących chłodzenia części z tworzyw sztucznych, co skutkuje w przypadku problemów takich jak niska jakość części z tworzyw sztucznych lub brak możliwości bezpośredniego formowania; (2) Istniejąca technologia przetwarzania form ogranicza wydajność chłodzenia kanału wodnego, wydłuża czas chłodzenia, dodatkowo wpływa na czas wyrzucania produktu formowanego wtryskowo, wpływając w ten sposób na wydajność produkcji i opóźniając promocję produktu na rynku; (3) Problem chłodzenia podczas procesu formowania wtryskowego produktu często ogranicza konstrukcję strukturalną i funkcjonalną produktu. Proces natryskiwania podczas wtryskiwania pod wysokim ciśnieniem ma dwa główne cele: jednym jest smarowanie w celu usprawnienia wyjmowania z formy; drugim jest działanie jako medium rozpylające w celu ochłodzenia. Trendem rozwoju przemysłu jest minimalizacja lub eliminacja etapu natryskiwania. Zastosowanie konstrukcji chłodzenia konforemnego może zmniejszyć zapotrzebowanie na natryskiwanie, wydłużyć żywotność formy i zapewnić jakość części formowanych wtryskowo1.

Technologia druku 3D za pomocą lasera metalowego opiera się na zasadzie wytwarzania warstwowego i formowania warstwowego warstwa po warstwie. Na podstawie trójwymiarowego modelu konstrukcyjnego wymaganych części projektowany jest plik modelu plasterka. Materiał w postaci proszku metalicznego jest topiony zgodnie z ustaloną trajektorią skanowania za pomocą laserowego sprzętu do drukowania 3D, zestalany i formowany, a następnie nakładany warstwa po warstwie, co może tworzyć części o dowolnym złożonym kształcie geometrycznym7. W porównaniu z tradycyjnymi metodami przetwarzania, laserowe selektywne topienie (SLM) umożliwia wytwarzanie rdzeni i wnęk form z niezwykle precyzyjnymi, złożonymi kanałami wodnymi, co znacznie skraca czas chłodzenia formy i skraca cykl produkcyjny formy.

W artykule, w oparciu o technologię druku 3D z metalu, w artykule zbadano wydajność podłoża drukarskiego, zaprojektowano precyzyjny system chłodzenia konformalnego dla form wtryskowych, wykorzystano oprogramowanie do analizy przepływu formy do analizy wydajności form konformalnych, optymalizowano kluczowe parametry procesu form konformalnych oraz wykorzystuje technologię druku 3D do wydruku formy i przeprowadzenia testów formowania wtryskowego.

1 Badania materiałowe

W zależności od potrzeb części formy wybierz niskowęglową stal o wysokiej wytrzymałości, o dobrej odporności na korozję i wysokiej twardości. Drukowanie materiałów kompozytowych to aktualny kierunek badań w zakresie wytwarzania przyrostowego metali. Dodając fazę ceramiczną węglika wolframu (WC), można poprawić wytrzymałość i twardość osnowy, a także odporność na zużycie i odporność na ciepło, ale jednocześnie spowoduje to problemy, takie jak zmniejszona plastyczność. Analiza i badanie mechanizmu wzmacniania fazy ceramicznej oraz wiązania pomiędzy fazą ceramiczną a powierzchnią styku osnowy to skuteczny sposób kontrolowania ogólnej wydajności materiału kompozytowego i poprawy wytrzymałości.

Udział masowy WC w stali formierskiej wynosi 30%, a parametry procesu formowania SLM przedstawiono w tabeli 1. Gęstość wypraski mierzona metodą drenażową wynosi aż 9.11g·cm'-3. Po utworzeniu 30% (ułamek masowy) próbki materiału kompozytowego ze stali do form WC, po roztworzeniu w wysokiej temperaturze w temperaturze 900 ℃ przez 1 godzinę i obróbce cieplnej starzenia w temperaturze 500 ℃ przez 4 godziny, stwierdzono, że twardość wynosi aż 52.4 HRC. Eksperymenty pokazują, że jego twardość jest dodatnio skorelowana z gęstością. Im wyższa gęstość, tym mniejsza liczba porów wewnętrznych i większa twardość. Twardość materiału stali formierskiej bez dodatków po obróbce cieplnej starzenia w wodzie wynosi 48HRC. Dla porównania, ogólna twardość stali formierskiej z dodatkiem WC uległa w pewnym stopniu poprawie, co wskazuje, że niewielka ilość cząstek WC jest rozpuszczona w osnowie podczas procesu obróbki roztworem.

Jak widać na fig. 1, z wyjątkiem niektórych cząstek WC, które utrzymują pełną i gładką sferyczną powierzchnię styku, inne cząstki WC rozpuszczają się podczas procesu obróbki roztworem, stając się eliptycznymi lub wadliwymi kulkami, a małe cząstki WC znikają. Świadczy to o tym, że cząstki WC ulegają częściowemu rozpuszczeniu w osnowie, a pomiędzy cząstkami a podłożem tworzy się silne wiązanie metalurgiczne, co znacząco poprawia ogólną wytrzymałość i twardość materiału, co może również przekładać się na zmianę twardości materiału materiał kompozytowy.

Wyniki testów wytrzymałości na ściskanie materiałów kompozytowych o różnych ułamkach masowych (WC) pokazują, że wraz ze wzrostem udziału masowego WC stopniowo wzrastają wytrzymałość na ściskanie i granica plastyczności na ściskanie materiału kompozytowego. Wytrzymałość na ściskanie i granica plastyczności na ściskanie materiału kompozytowego z 30% dodatkiem WC wynoszą odpowiednio 1757 MPa i 1677 MPa, czyli o około 20% więcej niż wytrzymałość na ściskanie osnowy stalowej formy, a sprasowane części nie ulegają pęknięciom, ale występuje odkształcenie ściskające. Dlatego kompozyty WC stosowane jako podłoża korzystnie wpływają na poprawę wydajności formy.

2 Projektowanie i analiza kanału wodnego konforemnego dla formy

Biorąc pod uwagę cechy strukturalne produktów do projektowania form z kanałami wodnymi, najpierw użyliśmy oprogramowania do analizy Moldflow, aby porównać analizę przepływu formy w kilku typowych przypadkach z tradycyjnymi kanałami wodnymi, zbadaliśmy gorące punkty, gradienty temperatury, odkształcenia termiczne i inne problemy w procesie formowania wtryskowego, zaprojektowano konforemne kanały wodne o różnych krzywiznach, odległościach od wnęki i kształtach przekroju poprzecznego, a następnie stale je iterowano i optymalizowano, mając na celu zwiększenie wydajności produkcji o ponad 30%. Przeanalizowaliśmy i podsumowaliśmy związek między efektem chłodzenia a właściwościami strukturalnymi i wymiarami konforemnego kanału wodnego, koncentrując się na minimalnej odległości między kanałem wodnym a powierzchnią formy w różnych warunkach pracy, a także trwałości i wydajności chłodzenia przy różne odległości, wymagania dotyczące różnych właściwości konstrukcyjnych i systemów materiałów do formowania wtryskowego w zakresie przepływu wody oraz zgodność między wynikami analizy symulacyjnej oprogramowania a wynikami rzeczywistymi.

2.1 Konformalna konstrukcja kanału wodnego

Poprzez badanie typowej struktury i właściwości materiałowych produktu, analizuje się gradient temperatury procesu formowania wtryskowego za pomocą oprogramowania do analizy elementów skończonych i projektuje konforemne kanały wodne o różnej krzywiźnie, odległości od wnęki i kształtach przekroju poprzecznego . Efekt chłodzenia konforemnego kanału wodnego jest analizowany i optymalizowany iteracyjnie, a analiza łącząca teorię i praktykę jest przeprowadzana poprzez eksperymenty w celu ustalenia związku między gradientem temperatury a strukturą konformalnego kanału wodnego oraz wstępnego określenia standardu konformalnego projektu kanału wodnego .

Weźmy za przykład górną formę przykrywającą konkretnego produktu: zgodnie z zasadą, że odległość kanału wody chłodzącej od powierzchni kleju musi być większa niż 2/3 średnicy kanału wody, głęboki układ kości i innowacyjny pas Najpierw projektuje się gładki kanał wodny o przekroju poprzecznym, jak pokazano na rysunku 2.

2.2 Analiza gorących punktów formy i deformacji

Położenie gorącego punktu jest analizowane przez oprogramowanie Moldflow, jak pokazano na rysunku 3. Położenie gorącego punktu to 12 wystających małych kolumn, czyli części wymagających chłodzenia. Gradient temperatury wpływa na odkształcenie chłodzące produktu. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej jednolita temperatura, tym lepiej, a różnica między najwyższą i najniższą temperaturą nie powinna przekraczać 20 ℃.

Jak widać na rysunku 4, najwyższa temperatura powierzchni formy tradycyjnego obrobionego kanału wodnego wynosi 102 ℃, najniższa 30 ℃, skrajna różnica temperatur wynosi 72 ℃, a występ jest poważnie niewystarczająco chłodzony. W rzeczywistej produkcji łatwo jest spowodować nierównomierne chłodzenie wyrobów formowanych wtryskowo, duże odkształcenia i niską jakość produktu; forma konforemnego kanału wodnego jest bardziej jednolita niż forma tradycyjnego obrobionego kanału wodnego, gradient temperatury jest łagodniejszy, najwyższa temperatura wynosi około 40 ℃, a efekt chłodzenia jest idealny, co sprzyja kontrolowaniu chłodzenia i deformacji produktu i poprawę jakości produktu.

Głównymi czynnikami wpływającymi na odkształcenia termiczne są efekt trendu, nierównomierne chłodzenie i nierówny skurcz. Dzięki analizie Moldflow czynniki każdego odkształcenia są rozkładane, znajdowane są główne czynniki wpływające na odkształcenie, a następnie wprowadzane są odpowiednie ulepszenia w celu zmniejszenia odkształcenia. Ponieważ materiał nie zawiera włókna szklanego, nie ma ukierunkowanego odkształcenia. Jak widać na rysunku 5, głównym czynnikiem odkształcenia wpływającym na ten produkt jest odkształcenie spowodowane nierównomiernym skurczem, dlatego można zmienić grubość ścianki produktu, aby był bardziej jednolity.

Rysunek 6 przedstawia porównanie odkształcenia termicznego wkładek formy pomiędzy tradycyjnymi kanałami wodnymi i konforemnymi kanałami wodnymi. Można zauważyć, że odkształcenie konforemnych kanałów wodnych i tradycyjnych kanałów wodnych obrobionych maszynowo jest bliskie i oba mieszczą się w kontrolowanym zakresie. Dzieje się tak głównie dlatego, że głównym czynnikiem wpływającym na odkształcenie jest odkształcenie skurczowe spowodowane nierówną grubością ścianki.

2.3 Analiza konforemnego układu kanałów wodnych

Konforemne kanały wodne mogą znajdować się bliżej wnęki niż tradycyjne kanały wodne obrobione maszynowo, a odległość między kanałem wodnym a wnęką jest większa lub równa 2/3 średnicy kanału wodnego. To zależy od budowy formy. Jeżeli obok znajdują się otwory wyrzutników, skośne otwory wyrzutników, otwory wkładane itp., zaleca się, aby odległość pomiędzy kanałem wodnym a wnęką była większa lub równa średnicy kanału wodnego. Rysunki 7 i 8 przedstawiają odpowiednio porównanie efektów chłodzenia kanałów wodnych oddalonych o 2.5 mm i 5.0 mm od wnęki. Dla porównania można zauważyć, że efekt chłodzenia kanału wodnego oddalonego o 2.5 mm od wnęki jest lepszy niż efekt chłodzący kanału wodnego oddalonego o 5.0 mm od wnęki. Im krótsza odległość, tym bardziej równomierna temperatura wkładu i krótszy cykl chłodzenia. Można zauważyć, że zgodnie z rozsądnymi zasadami im bliżej wnęki znajduje się kanał wodny, tym lepszy efekt chłodzenia, należy jednak zauważyć, że odległość między kanałem wodnym a wnęką jest zawsze jednakowa.

2.4 Analiza konstrukcji przekroju kanału wodnego

Pole przekroju poprzecznego konforemnych kanałów wodnych jest takie samo jak w przypadku tradycyjnych wierconych kanałów wodnych i oba powinny być w miarę możliwości spójne podczas projektowania. W tym eksperymencie zaproponowano schematy projektowania przekrojów eliptycznych i kołowych, jak pokazano na rysunku 9 (a) i rysunku 10 (a). Z powyższego porównania widać, że kanał wodny o przekroju trójkątnym eliptycznym charakteryzuje się większym natężeniem przepływu wody, lepszym efektem chłodzenia, krótszym cyklem i bardziej równomierną temperaturą wkładu niż kanał wodny o przekroju kołowym. Dlatego im większy przekrój poprzeczny transportu wody, tym lepszy efekt chłodzenia. Cykl chłodzenia jest ważnym parametrem w przypadku form próbnych produktów do formowania wtryskowego, a konforemne kanały wodne mogą dobrze poprawić cykl chłodzenia.

Tradycyjny obrobiony maszynowo kanał wodny i konforemny kanał wodny są wprowadzane do Moldflow, a ich efekt porównawczy jest analizowany poprzez załadowanie tego samego materiału do formowania wtryskowego (PETG, informacje o materiale patrz Tabela 2) i tych samych parametrów procesu temperatury wody (wlot temperatura wody jest ustawiona na 20 ℃).

Z wyników analizy symulacji Moldflow na rysunkach 11 i 12 można zauważyć, że cykl chłodzenia konforemnego kanału wodnego wynosi 19 s (w tym 5 s czasu otwierania i zamykania formy), podczas gdy cykl chłodzenia tradycyjnego obrobionego kanału wodnego wynosi 27 s (w tym 5 sekund czasu otwierania i zamykania formy). Konforemny kanał wodny jest lepszy od tradycyjnego kanału wodnego obrabianego maszynowo, a jego cykl zostaje skrócony o 30%, osiągając cel optymalizacji.

3 Weryfikacja formy

Po analizie przepływu formy określa się projekt konstrukcji formy i Sprzęt do drukowania 3D w metalu SLM (HBDG350) niezależnie opracowane przez Technologia Hanbanga służy do drukowania. Proces drukowania i rzeczywisty produkt po wydrukowaniu pokazano na rysunku 13. Po wydrukowaniu wykonuje się cięcie drutem, obróbkę cieplną i obróbkę skrawaniem, a następnie instaluje się formę w celu próbnego formowania wtryskowego produktu; forma próbna weryfikuje głównie cykl chłodzenia formy i temperaturę wkładki, ponieważ cykl chłodzenia będzie miał wpływ na wydajność produkcji, a temperatura wkładki będzie miała wpływ na wydajność produkcji i jakość produktu. Im krótszy cykl chłodzenia, tym wyższa wydajność produkcji i większe korzyści ekonomiczne; im bardziej jednolita temperatura wkładu, tym lepsza jakość produktu i wyższa wydajność produkcji. Po próbnej weryfikacji formy produkty utworzone przez rozwiązanie do chłodzenia konforemnego kanału wodnego w druku 3D wykazują poprawę wydajności produkcji o ponad 30% w porównaniu z tradycyjną formą kanału wodnego, a wskaźnik wadliwości wynosi prawie zero, co w pełni spełnia wymagania produkcyjne i wymagania użytkowe.

Wnioski 4

1) Jako podłoże stosuje się materiał kompozytowy ze stali formowanej wzmocniony cząstkami WC, po czym jego działanie ulega poprawie 3D drukowanie. Wytrzymałość na ściskanie i granica plastyczności na ściskanie materiału kompozytowego z dodatkiem 30% (ułamek masowy) WC osiągnęły odpowiednio 1757 MPa i 1677 MPa, czyli o około 20% więcej niż wytrzymałość na ściskanie osnowy ze stali formierskiej. Materiał kompozytowy można stosować w formach do druku 3D w celu zmniejszenia deformacji formy i poprawy jakości produktu.

2) Samonośna, eliptyczna konstrukcja formy chłodzącej z kanałem wodnym przełamuje konwencjonalny limit średnicy kanału wodnego i poprawia wydajność chłodzenia formy. Konstrukcja konforemna może obniżyć maksymalną temperaturę powierzchni formy o 47.4%, średnią temperaturę powierzchni formy o 40.9%, a równomierność temperatury powierzchni formy o 1.8%. Efekt chłodzenia został znacznie poprawiony, a konformalna forma kanału wodnego może skutecznie zmniejszyć odkształcenie produktu, poprawić stabilność wymiarową produktu i znacznie poprawić jakość produktu.

3) W porównaniu z tradycyjnymi formami do kanałów wodnych, wydajność produkcji produktów utworzonych w wyniku drukowania 3D schematu konforemnego chłodzenia kanałów wodnych jest zwiększona o ponad 30%, co w pełni spełnia wymagania produkcyjne i użytkowe.