O molde de resfriamento conformado foi fabricado pela Tecnologia de impressão 3D, e o substrato de impressão 3D foi estudado. A resistência à compressão e o limite de escoamento à compressão do material compósito impresso em 3D com 30% (fração de massa) de carboneto de tungstênio (WC) adicionado atingiram 1757MPa e 1677MPa respectivamente, o que é cerca de 20% maior que o desempenho de compressão da matriz de aço do molde. Tendo em vista os problemas de longo tempo de resfriamento, empenamento do produto e instabilidade dimensional no projeto do molde, foi projetado um molde de canal de água de resfriamento conformado baseado em impressão 3D de metal, e a análise de simulação foi realizada com a ajuda do software Moldflow. Os resultados mostram que a solução de canal de água conformada pode melhorar significativamente a eficiência de resfriamento e reduzir a deformação do produto. A tecnologia de impressão 3D de metal tem uma ampla gama de valor de aplicação no campo de moldes de resfriamento conformados. Os produtos plásticos são formados principalmente em máquinas de moldagem por injeção usando moldes. Em todo o processo de produção, o tempo e o custo de fabricação dos moldes de injeção são os mais elevados. Hoje em dia, a crescente demanda por produtos personalizados de pequenos lotes levou ao rápido desenvolvimento da indústria de moldes e a uma concorrência cada vez mais acirrada. Portanto, além de melhorar continuamente a qualidade e o desempenho dos moldes de injeção, é necessário também minimizar seus custos de produção e encurtar o ciclo de desenvolvimento do produto para conquistar rapidamente o mercado.

No processo de moldagem de peças plásticas, a etapa de resfriamento é responsável por 2/3 de todo o ciclo de moldagem. O tempo de resfriamento insuficiente pode causar defeitos como marcas de encolhimento e empenamento das peças plásticas. O tempo de resfriamento muito longo também afetará a eficiência da produção e o custo das peças plásticas. Portanto, melhorar a eficiência de dissipação de calor do molde e reduzir o tempo de resfriamento tornaram-se as principais direções de pesquisa da indústria de moldes. Entre eles, o projeto de canais de água com formatos especiais é uma das soluções eficazes para melhorar a eficiência de dissipação de calor do molde e reduzir o tempo de resfriamento. O canal tradicional de água de resfriamento do molde é limitado pela tecnologia de processamento e só pode ser alcançado fazendo furos no molde. No entanto, um molde geralmente possui mecanismos complexos, como hastes, colunas guia inclinadas e controles deslizantes. Ao projetar o canal de água, é necessário evitar certos mecanismos existentes no molde. Portanto, tornou-se uma tarefa muito difícil criar um canal de água de resfriamento eficaz no molde para resfriar as peças plásticas de maneira rápida e uniforme.

Tomando os moldes de injeção como exemplo, os moldes de injeção existentes têm os seguintes problemas principais devido a fatores de resfriamento: (1) A tecnologia de processamento de moldes existente limita a tecnologia de processamento do canal de água, resultando na incapacidade de atender totalmente aos requisitos de resfriamento das peças plásticas, resultando em problemas como qualidade inferior de peças plásticas ou incapacidade de moldar diretamente; (2) A tecnologia de processamento de moldes existente limita a eficiência de resfriamento do canal de água, prolonga o tempo de resfriamento e afeta ainda mais o tempo de ejeção do produto moldado por injeção, afetando assim a eficiência da produção e atrasando a promoção do produto no mercado; (3) O problema de resfriamento durante o processo de moldagem por injeção do produto muitas vezes restringe o design estrutural e funcional do produto. O processo de pulverização durante a injeção de alta pressão tem duas finalidades principais: uma é a lubrificação para melhorar a desmoldagem; a outra é atuar como meio de pulverização para esfriar. A tendência de desenvolvimento industrial é minimizar ou eliminar a etapa de pulverização. O uso do projeto de resfriamento conformado pode reduzir a demanda por pulverização, prolongar a vida útil do molde e garantir a qualidade das peças moldadas por injeção1.

A tecnologia de impressão 3D a laser de metal é baseada no princípio de fabricação em camadas e moldagem por superposição camada por camada. De acordo com o modelo estrutural tridimensional das peças necessárias, o arquivo do modelo de fatia é projetado. O material em pó metálico é derretido de acordo com a trajetória de digitalização estabelecida por equipamento de impressão 3D a laser, solidificado e formado, e sobreposto camada por camada, podendo formar peças com qualquer formato geométrico complexo7. Em comparação com os métodos de processamento tradicionais, a fusão seletiva a laser (SLM) pode produzir núcleos e cavidades de molde com canais de água conformados complexos de alta precisão, o que reduz significativamente o tempo de resfriamento do molde e encurta o ciclo de fabricação do molde.

Com base na tecnologia de impressão 3D de metal, este artigo estuda o desempenho do substrato de impressão, projeta um sistema de resfriamento conformal preciso para moldes de injeção, usa software de análise de fluxo de molde para analisar o desempenho de moldes de resfriamento conformal, otimiza os principais parâmetros do processo de moldes de resfriamento conformal e usa tecnologia de impressão 3D para imprimir o molde e realizar testes de moldagem por injeção.

1 Pesquisa de materiais

De acordo com as necessidades das peças do molde, selecione um aço de alta resistência com baixo teor de carbono, com boa resistência à corrosão e alta dureza. A impressão de materiais compósitos é a atual direção de pesquisa da fabricação aditiva de metal. Ao adicionar a fase cerâmica de carboneto de tungstênio (WC), a resistência e a dureza da matriz, bem como a resistência ao desgaste e ao calor, podem ser melhoradas, mas, ao mesmo tempo, também trará problemas como a diminuição da plasticidade. Analisar e explorar o mecanismo de fortalecimento da fase cerâmica e a ligação entre a fase cerâmica e a interface da matriz é uma forma eficaz de controlar o desempenho geral do material compósito e melhorar a tenacidade.

A fração mássica de WC no aço do molde é de 30%, e os parâmetros do processo de moldagem SLM são mostrados na Tabela 1. A densidade da amostra moldada medida pelo método de drenagem chega a 9.11g·cm'-3. Depois de formar uma amostra de material compósito de aço para molde WC de 30% (fração de massa), após solução de alta temperatura a 900°C por 1h e tratamento térmico de envelhecimento a 500°C por 4h, a dureza é detectada como sendo tão alta quanto 52.4HRC. Através de experimentos, pode-se perceber que sua dureza está positivamente correlacionada com sua densidade. Quanto maior a densidade, menor o número de poros internos e maior a dureza. A dureza do material de aço do molde sem aditivos após o tratamento térmico de envelhecimento em solução é de 48HRC. Em comparação, a dureza geral do aço do molde com WC adicionado é melhorada até certo ponto, indicando que uma pequena quantidade de partículas de WC é dissolvida na matriz durante o processo de tratamento da solução.

Como pode ser visto na Figura 1, exceto algumas partículas de WC que mantêm uma interface esférica completa e lisa, outras partículas de WC são dissolvidas durante o processo de tratamento da solução, tornando-se esferas elípticas ou defeituosas, e pequenas partículas de WC desaparecem. Isto mostra que as partículas de WC estão parcialmente dissolvidas na matriz, e uma forte ligação metalúrgica é formada entre as partículas e o substrato, o que melhora significativamente a resistência geral e a dureza do material, o que também pode ser refletido na mudança de dureza do material compósito.

Os resultados dos testes de desempenho de compressão de materiais compósitos com diferentes frações de massa (WC) mostram que à medida que a fração de massa de WC aumenta, a resistência à compressão e a resistência ao escoamento à compressão do material compósito aumentam gradualmente. A resistência à compressão e a resistência ao escoamento à compressão do material compósito com 30% de WC adicionado são tão altas quanto 1757MPa e 1677MPa, respectivamente, o que é cerca de 20% maior que o desempenho de compressão da matriz de aço do molde, e as partes comprimidas não são fraturadas, mas ocorre deformação por compressão. Portanto, os compósitos WC utilizados como substratos são benéficos para melhorar o desempenho do molde.

2 Projeto e análise do canal de água conformado do molde

Tendo em vista as características estruturais dos produtos de projeto de moldes de canais de água conformados, primeiro usamos o software de análise Moldflow para comparar a análise de fluxo de moldes de vários casos típicos com canais de água tradicionais, exploramos os pontos quentes, gradientes de temperatura, deformação térmica e outras questões no processo de moldagem por injeção, projetou canais de água conformados com diferentes curvaturas, distâncias da cavidade e formatos transversais, e os iterou e otimizou continuamente, com o objetivo de aumentar a eficiência da produção em mais de 30%. Analisamos e resumimos a relação entre o efeito de resfriamento e as características estruturais e dimensões do canal de água conformado, com foco na distância mínima entre o canal de água e a superfície do molde sob diferentes condições de trabalho, bem como o desempenho de vida e desempenho de resfriamento em diferentes distâncias, os requisitos de diferentes características estruturais e sistemas de materiais de moldagem por injeção para fluxo de água e a consistência entre os resultados da análise de simulação do software e os resultados reais.

2.1 Projeto de canal de água conformado

Através do estudo da estrutura típica e das características do material do produto, o gradiente de temperatura do processo de moldagem por injeção é analisado usando software de análise de elementos finitos, e canais de água conformados com diferentes curvaturas, distâncias da cavidade e formatos transversais são projetados . O efeito de resfriamento do canal de água conformado é analisado e otimizado iterativamente, e a análise combinando teoria e prática é realizada por meio de experimentos para estabelecer a relação entre o gradiente de temperatura e a estrutura do canal de água conformado, e determinar preliminarmente o padrão de projeto do canal de água conformado .

Tomemos como exemplo o molde da tampa superior de um determinado produto: de acordo com o princípio de que a distância entre o canal de água de resfriamento e a superfície da cola deve ser maior que 2/3 do diâmetro do canal de água, o layout ósseo profundo e a cintura inovadora O canal de água conformado liso com seção transversal em forma de formato é primeiro projetado, conforme mostrado na Figura 2.

2.2 Ponto quente do molde e análise de deformação

A posição do ponto quente é analisada pelo software Moldflow, conforme mostrado na Figura 3. A posição do ponto quente são 12 pequenas colunas salientes, que são as peças que precisam ser resfriadas. O gradiente de temperatura afeta a deformação por resfriamento do produto. De modo geral, quanto mais uniforme for a temperatura, melhor, e a diferença entre as temperaturas mais altas e mais baixas não deve exceder 20°C.

Como pode ser visto na Figura 4, a temperatura mais alta da superfície do molde do canal de água usinado tradicional é 102 ℃, a mais baixa é 30 ℃, a diferença extrema de temperatura é 72 ℃ e a saliência é resfriada de forma insuficiente. Na produção real, é fácil causar resfriamento irregular de produtos moldados por injeção, grande deformação e qualidade de produto abaixo do padrão; o molde do canal de água conformado é mais uniforme do que o molde do canal de água usinado tradicional, o gradiente de temperatura é mais suave, a temperatura mais alta é de cerca de 40 ℃ e o efeito de resfriamento é ideal, o que conduz ao controle do resfriamento e da deformação do produto e melhorando a qualidade do produto.

Os principais fatores que afetam a deformação térmica são o efeito de tendência, o resfriamento desigual e o encolhimento desigual. Através da análise Moldflow, os fatores de cada deformação são decompostos, os principais fatores que afetam a deformação são encontrados e, em seguida, são feitas melhorias correspondentes para reduzir a deformação. Como o material não contém fibra de vidro, não há deformação orientada. Como pode ser visto na Figura 5, o principal fator de deformação que afeta este produto é a deformação causada pela retração irregular, portanto a espessura da parede do produto pode ser alterada para torná-la mais uniforme.

A Figura 6 é uma comparação da deformação térmica das inserções do molde entre canais de água tradicionais e canais de água conformados. Pode-se observar que a deformação dos canais de água conformados e dos canais de água usinados tradicionais está próxima e ambos estão dentro da faixa controlável. Isto ocorre principalmente porque o principal fator que afeta a deformação é a deformação por contração causada pela espessura irregular da parede.

2.3 Análise do layout do canal de água conformado

Os canais de água conformados podem estar mais próximos da cavidade do que os canais de água usinados tradicionais, e a distância entre o canal de água e a cavidade é maior ou igual a 2/3 do diâmetro do canal de água. Depende da estrutura do molde. Se houver furos ejetores, furos ejetores inclinados, furos de inserção, etc. próximos a ele, é recomendado que a distância entre o canal de água e a cavidade seja maior ou igual ao diâmetro do canal de água. As Figuras 7 e 8 são respectivamente uma comparação dos efeitos de resfriamento dos canais de água a 2.5 mm e 5.0 mm de distância da cavidade. Por comparação, pode-se observar que o efeito de resfriamento do canal de água a 2.5 mm de distância da cavidade é melhor do que o do canal de água a 5.0 mm de distância da cavidade. Quanto menor a distância, mais uniforme será a temperatura da pastilha e mais curto será o ciclo de resfriamento. Pode-se observar que sob princípios razoáveis, quanto mais próximo o canal de água estiver da cavidade, melhor será o efeito de resfriamento, mas deve-se notar que a distância entre o canal de água e a cavidade é sempre uniforme.

2.4 Análise do projeto da seção transversal do canal de água conformado

A área da seção transversal dos canais de água conformados é a mesma dos canais de água perfurados tradicionais e ambos devem ser mantidos consistentes tanto quanto possível durante o projeto. Este experimento propõe esquemas de projeto de seção transversal elíptica e circular, conforme mostrado na Figura 9(a) e Figura 10(a). A partir da comparação acima, pode-se observar que o canal de água com seção transversal triangular elíptica tem maior vazão de água, melhor efeito de resfriamento, ciclo mais curto e temperatura de inserção mais uniforme do que o canal de água com seção transversal circular. Portanto, quanto maior for a área transversal do transporte de água, melhor será o efeito de resfriamento. O ciclo de resfriamento é um parâmetro importante para moldes de teste de produtos de moldagem por injeção, e canais de água conformados podem melhorar bem o ciclo de resfriamento.

O canal de água usinado tradicional e o canal de água conformado são introduzidos no Moldflow, e o efeito comparativo dos dois é analisado carregando o mesmo material de moldagem por injeção (PETG, informações do material, consulte a Tabela 2) e os mesmos parâmetros de processo de temperatura da água (a entrada a temperatura da água está definida para 20 ℃).

A partir dos resultados da análise de simulação do Moldflow nas Figuras 11 e 12, pode-se observar que o ciclo de resfriamento do canal de água conformado é de 19s (incluindo 5s de tempo de abertura e fechamento do molde), enquanto o ciclo de resfriamento do canal de água usinado tradicional é de 27s (incluindo 5s de tempo de abertura e fechamento do molde). O canal de água conformado é superior ao canal de água usinado tradicional e seu ciclo é encurtado em 30%, atingindo a meta de otimização.

3 Verificação de molde

Após a análise do fluxo do molde, o projeto da estrutura do molde é determinado e o Equipamento de impressão 3D de metal SLM (HBDG350) desenvolvido de forma independente por Tecnologia Hanbang é usado para impressão. O processo de impressão e o produto real após a impressão são mostrados na Figura 13. Após a impressão, o corte do fio, o tratamento térmico e a usinagem são realizados e, em seguida, o molde é instalado para moldagem por injeção de molde de teste do produto; o molde de teste verifica principalmente o ciclo de resfriamento do molde e a temperatura da pastilha, pois o ciclo de resfriamento afetará a eficiência da produção e a temperatura da pastilha afetará a eficiência da produção e a qualidade do produto. Quanto mais curto for o ciclo de arrefecimento, maior será a eficiência da produção e maiores serão os benefícios económicos; quanto mais uniforme for a temperatura da pastilha, melhor será a qualidade do produto e maior será a eficiência da produção. Após a verificação experimental do molde, os produtos formados pela solução de resfriamento conformal de canal de água para impressão 3D têm uma melhoria na eficiência da produção de mais de 30% em comparação com o molde tradicional de canal de água, e a taxa de defeito é quase zero, o que atende plenamente a produção e requisitos de uso.

Conclusão 4

1) O material compósito de aço para molde reforçado com partículas de WC é usado como substrato e seu desempenho é melhorado após impressão 3D. A resistência à compressão e o limite de escoamento à compressão do material compósito com 30% (fração de massa) WC adicionado atingiram 1757MPa e 1677MPa respectivamente, o que é cerca de 20% maior que o desempenho de compressão da matriz de aço do molde. O material compósito pode ser usado em moldes de impressão 3D para reduzir a deformação do molde e melhorar a qualidade do produto.

2) O projeto do molde de resfriamento conformal do canal de água elíptico autossustentável rompe o limite de diâmetro do canal de água convencional e melhora a eficiência de resfriamento do molde. O design conformado pode reduzir a temperatura máxima da superfície do molde em 47.4%, a temperatura média da superfície do molde em 40.9% e a uniformidade da temperatura da superfície do molde em 1.8%. O efeito de resfriamento é significativamente melhorado e o molde conformal do canal de água pode efetivamente reduzir a deformação do produto, melhorar a estabilidade dimensional do produto e melhorar significativamente a qualidade do produto.

3) Em comparação com os moldes tradicionais de canal de água, a eficiência de produção de produtos formados pelo esquema de resfriamento de canal de água conformado de impressão 3D é aumentada em mais de 30%, o que atende totalmente aos requisitos de produção e uso.