Конформная охлаждающая форма была изготовлена Технология печати 3D, и субстрат 3D печать Изучались прочность на сжатие и предел текучести при сжатии 3D-печатного композитного материала с добавлением 30% (массовая доля) карбида вольфрама (WC) достигли 1757 МПа и 1677 МПа соответственно, что примерно на 20% выше, чем характеристики сжатия матрицы стали пресс-формы. В связи с проблемами длительного времени охлаждения, коробления продукта и размерной нестабильности при проектировании пресс-формы была разработана конформная форма с охлаждающим водяным каналом на основе металлической 3D-печати, а анализ моделирования был проведен с помощью программного обеспечения Moldflow. Результаты показывают, что решение с конформным водяным каналом может значительно повысить эффективность охлаждения и уменьшить деформацию продукта. Технология металлической 3D-печати имеет широкий спектр применения в области конформных охлаждающих форм. Пластиковые изделия в основном формуются на литьевых машинах с использованием форм. Во всем производственном процессе время и стоимость изготовления литьевых форм являются самыми высокими. В настоящее время растущий спрос на персонализированные мелкосерийные изделия привел к быстрому развитию индустрии пресс-форм и все более жесткой конкуренции. Поэтому, помимо постоянного повышения качества и производительности литьевых форм, необходимо также минимизировать затраты на их производство и сократить цикл разработки продукции, чтобы быстрее завоевать рынок.

В процессе формования пластиковых деталей стадия охлаждения составляет 2/3 всего цикла формования. Недостаточное время охлаждения может привести к появлению таких дефектов, как следы усадки и коробление пластиковых деталей. Слишком длительное время охлаждения также повлияет на эффективность производства и себестоимость пластиковых деталей. Поэтому повышение эффективности рассеивания тепла пресс-формы и сокращение времени охлаждения стали ключевыми направлениями исследований в индустрии пресс-форм. Среди них проектирование водяных каналов специальной формы является одним из эффективных решений для повышения эффективности рассеивания тепла пресс-формы и сокращения времени охлаждения. Традиционный канал охлаждающей воды пресс-формы ограничен технологией обработки и может быть достигнут только путем сверления отверстий в пресс-форме. Однако пресс-форма часто имеет сложные механизмы, такие как толкатели, наклонные направляющие колонны и ползуны. При проектировании водяного канала необходимо избегать определенных существующих механизмов пресс-формы. Поэтому стало очень сложной задачей создание эффективного канала охлаждающей воды в пресс-форме для быстрого и равномерного охлаждения пластиковых деталей.

Если взять в качестве примера литьевые формы, то существующие литьевые формы имеют следующие основные проблемы из-за факторов охлаждения: (1) Существующая технология обработки форм ограничивает технологию обработки водяного канала, что приводит к невозможности полностью удовлетворить требования к охлаждению пластиковых деталей, что приводит к таким проблемам, как некачественное качество пластиковых деталей или невозможность прямого формования; (2) Существующая технология обработки форм ограничивает эффективность охлаждения водяного канала, увеличивает время охлаждения, дополнительно влияет на время выталкивания литьевого изделия, тем самым влияя на эффективность производства и задерживая продвижение продукта на рынке; (3) Проблема охлаждения во время процесса литья под давлением продукта часто ограничивает структурный и функциональный дизайн продукта. Процесс распыления во время литья под высоким давлением имеет две основные цели: одна - смазка для улучшения извлечения из формы; другая - действовать как распыляемая среда для охлаждения. Тенденция промышленного развития заключается в минимизации или исключении этапа распыления. Использование конформной конструкции охлаждения может снизить потребность в распылении, продлить срок службы формы и гарантировать качество литьевых деталей1.

Технология лазерной 3D-печати металла основана на принципе послойного изготовления и послойного наложения форм. Согласно трехмерной структурной модели требуемых деталей, проектируется файл модели среза. Металлический порошковый материал расплавляется в соответствии с установленной траекторией сканирования с помощью лазерного 3D-печатного оборудования, затвердевает и формируется, и накладывается слой за слоем, что позволяет формировать детали любой сложной геометрической формы7. По сравнению с традиционными методами обработки, лазерная селективная плавка (SLM) позволяет изготавливать литейные стержни и полости с высокоточными сложными конформными водными каналами, что значительно сокращает время охлаждения литейной формы и сокращает цикл изготовления литейной формы.

В данной статье на основе технологии 3D-печати по металлу изучается производительность печатного субстрата, разрабатывается точная система конформного охлаждения для литьевых форм, используется программное обеспечение для анализа потока пресс-формы для анализа производительности конформных охлаждающих форм, оптимизируются ключевые параметры процесса конформных охлаждающих форм, а также используется технология 3D-печати для печати формы и проведения испытаний литья под давлением.

1 Материаловедческие исследования

В соответствии с потребностями деталей пресс-формы выберите низкоуглеродистую высокопрочную сталь с хорошей коррозионной стойкостью и высокой твердостью. Печать композитными материалами является текущим направлением исследований в области аддитивного производства металлов. Добавляя керамическую фазу карбида вольфрама (WC), можно улучшить прочность и твердость матрицы, а также износостойкость и термостойкость, но в то же время это также приведет к таким проблемам, как снижение пластичности. Анализ и исследование механизма усиления керамической фазы и связи между керамической фазой и интерфейсом матрицы является эффективным способом управления общими характеристиками композитного материала и повышения ударной вязкости.

Массовая доля WC в стали формы составляет 30%, а параметры процесса формования SLM показаны в таблице 1. Плотность формованного образца, измеренная методом дренажа, достигает 9.11 г·см-3. После формирования образца композитного материала стали формы с 30% (массовой долей) WC, после высокотемпературного раствора при 900 ℃ в течение 1 часа и старения при 500 ℃ в течение 4 часов, твердость обнаружена на уровне 52.4HRC. С помощью экспериментов можно увидеть, что его твердость положительно коррелирует с его плотностью. Чем выше плотность, тем меньше количество внутренних пор и тем выше твердость. Твердость материала стали формы без добавок после старения на раствор составляет 48HRC. Для сравнения, общая твердость стали формы с добавлением WC улучшается в определенной степени, что указывает на то, что небольшое количество частиц WC растворяется в матрице во время процесса обработки на раствор.

Как видно из рисунка 1, за исключением некоторых частиц WC, которые сохраняют полную и гладкую сферическую поверхность, другие частицы WC растворяются в процессе обработки раствора, превращаясь в эллиптические или дефектные сферы, а мелкие частицы WC исчезают. Это показывает, что частицы WC частично растворяются в матрице, и между частицами и подложкой образуется прочная металлургическая связь, что значительно улучшает общую прочность и твердость материала, что также может отражаться в изменении твердости композитного материала.

Результаты испытаний на сжатие композитных материалов с различной массовой долей (WC) показывают, что с увеличением массовой доли WC прочность на сжатие и предел текучести при сжатии композитного материала постепенно увеличиваются. Прочность на сжатие и предел текучести при сжатии композитного материала с добавлением 30% WC достигают 1757 МПа и 1677 МПа соответственно, что примерно на 20% выше, чем характеристики сжатия стальной матрицы формы, а сжатые детали не разрушаются, но происходит деформация сжатия. Поэтому композиты WC, используемые в качестве подложек, полезны для улучшения характеристик формы.

2 Проектирование и анализ водоотводного канала, соответствующего форме

Ввиду структурных характеристик изделий для проектирования форм с конформными водными каналами мы сначала использовали программное обеспечение для анализа Moldflow для сравнения анализа потока в пресс-форме нескольких типичных случаев с традиционными водными каналами, исследовали горячие точки, температурные градиенты, термическую деформацию и другие проблемы в процессе литья под давлением, спроектировали конформные водные каналы с различной кривизной, расстоянием от полости и формой поперечного сечения, а также непрерывно итерировали и оптимизировали их с целью повышения эффективности производства более чем на 30%. Мы проанализировали и обобщили взаимосвязь между охлаждающим эффектом и структурными характеристиками и размерами конформного водного канала, сосредоточившись на минимальном расстоянии между водным каналом и поверхностью формы в различных рабочих условиях, а также на эксплуатационных характеристиках и охлаждающих характеристиках на разных расстояниях, требованиях различных структурных характеристик и систем материалов для литья под давлением для потока воды, а также согласованности между результатами анализа моделирования программного обеспечения и фактическими результатами.

2.1 Конформная конструкция водовода

Изучая типичную структуру и характеристики материала продукта, температурный градиент процесса литья под давлением анализируется с помощью программного обеспечения для анализа конечных элементов, и проектируются конформные водные каналы с различной кривизной, расстоянием от полости и формами поперечного сечения. Охлаждающий эффект конформного водного канала анализируется и оптимизируется итеративно, а анализ, объединяющий теорию и практику, выполняется посредством экспериментов для установления связи между температурным градиентом и структурой конформного водного канала и предварительного определения стандарта проектирования конформного водного канала.

Возьмем в качестве примера верхнюю крышку определенного изделия: в соответствии с принципом, согласно которому расстояние между каналом охлаждающей воды и поверхностью клея должно быть больше 2/3 диаметра канала для воды, сначала проектируется глубокая костная структура и инновационный гладкий конформный канал для воды в форме талии, как показано на рисунке 2.

2.2 Анализ горячих точек и деформаций пресс-формы

Положение горячей точки анализируется программным обеспечением Moldflow, как показано на рисунке 3. Положение горячей точки представляет собой 12 выступающих небольших столбиков, которые являются частями, которые необходимо охладить. Температурный градиент влияет на деформацию охлаждения продукта. В общем, чем равномернее температура, тем лучше, и разница между самой высокой и самой низкой температурой не должна превышать 20℃.

Как видно из рисунка 4, самая высокая температура поверхности формы традиционного обработанного водного канала составляет 102 ℃, самая низкая - 30 ℃, экстремальная разница температур составляет 72 ℃, а выступ серьезно недостаточно охлажден. В реальном производстве легко вызвать неравномерное охлаждение литьевых изделий, большую деформацию и некачественное качество продукции; форма конформного водного канала более однородна, чем форма традиционного обработанного водного канала, температурный градиент более мягкий, самая высокая температура составляет около 40 ℃, а охлаждающий эффект идеален, что способствует контролю охлаждения и деформации продукта и улучшению качества продукции.

Основными факторами, влияющими на термическую деформацию, являются эффект тренда, неравномерное охлаждение и неравномерная усадка. С помощью анализа Moldflow факторы каждой деформации разлагаются, находятся основные факторы, влияющие на деформацию, а затем вносятся соответствующие улучшения для уменьшения деформации. Поскольку материал не содержит стекловолокна, ориентированной деформации не происходит. Как видно из рисунка 5, основным фактором деформации, влияющим на этот продукт, является деформация, вызванная неравномерной усадкой, поэтому толщину стенки продукта можно изменить, чтобы сделать ее более однородной.

Рисунок 6 представляет собой сравнение тепловой деформации вставок формы между традиционными водными каналами и конформными водными каналами. Видно, что деформация конформных водных каналов и традиционных обработанных водных каналов близка и обе находятся в контролируемом диапазоне. Это в основном потому, что основным фактором, влияющим на деформацию, является деформация усадки, вызванная неравномерной толщиной стенки.

2.3 Анализ конформной схемы расположения водоканала

Конформные водные каналы могут быть ближе к полости, чем традиционные механически обработанные водные каналы, и расстояние между водным каналом и полостью больше или равно 2/3 диаметра водного канала. Это зависит от структуры формы. Если рядом с ней есть отверстия эжектора, наклонные отверстия эжектора, отверстия вставки и т. д., рекомендуется, чтобы расстояние между водным каналом и полостью было больше или равно диаметру водного канала. Рисунки 7 и 8 представляют собой сравнение охлаждающего эффекта водяных каналов на расстоянии 2.5 мм и 5.0 мм от полости соответственно. Для сравнения можно увидеть, что охлаждающий эффект водяного канала на расстоянии 2.5 мм от полости лучше, чем у водяного канала на расстоянии 5.0 мм от полости. Чем короче расстояние, тем равномернее температура вставки и короче цикл охлаждения. Можно увидеть, что при разумных принципах, чем ближе водяной канал к полости, тем лучше охлаждающий эффект, но следует отметить, что расстояние между водяным каналом и полостью всегда одинаково.

2.4 Анализ конструкции поперечного сечения конформного водоканала

Площадь поперечного сечения конформных водных каналов такая же, как и у традиционных просверленных водных каналов, и обе они должны быть максимально согласованы во время проектирования. Этот эксперимент предлагает эллиптические и круглые схемы проектирования поперечного сечения, как показано на рисунке 9(a) и рисунке 10(a). Из приведенного выше сравнения можно увидеть, что водный канал с эллиптическим треугольным поперечным сечением имеет большую скорость потока воды, лучший охлаждающий эффект, более короткий цикл и более равномерную температуру вставки, чем водный канал с круглым поперечным сечением. Следовательно, чем больше площадь поперечного сечения транспортировки воды, тем лучше охлаждающий эффект. Цикл охлаждения является важным параметром для пробных форм для литья под давлением изделий, и конформные водные каналы могут хорошо улучшить цикл охлаждения.

В Moldflow вводятся традиционный обработанный водяной канал и конформный водяной канал, и анализируется их сравнительный эффект путем загрузки одного и того же материала для литья под давлением (PETG, информация о материале см. в Таблице 2) и тех же параметров процесса температуры воды (температура воды на входе установлена ​​на уровне 20 ℃).

Из результатов анализа моделирования Moldflow на рисунках 11 и 12 видно, что цикл охлаждения конформного водяного канала составляет 19 с (включая 5 с времени открытия и закрытия формы), в то время как цикл охлаждения традиционного машинного водяного канала составляет 27 с (включая 5 с времени открытия и закрытия формы). Конформный водяной канал превосходит традиционный машинный водяной канал, и его цикл сокращается на 30%, достигая цели оптимизации.

3 Проверка формы

После анализа течения пресс-формы определяется конструкция ее структуры и Оборудование для 3D-печати металлом SLM (HBDG350) независимо разработанный Технология Ханбан используется для печати. ​​Процесс печати и фактическое изделие после печати показаны на рисунке 13. После печати выполняются резка проволоки, термическая обработка и механическая обработка, а затем устанавливается форма для литья под давлением пробной формы продукта; пробная форма в основном проверяет цикл охлаждения формы и температуру вставки, поскольку цикл охлаждения повлияет на эффективность производства, а температура вставки повлияет на эффективность производства и качество продукта. Чем короче цикл охлаждения, тем выше эффективность производства и выше экономические выгоды; чем равномернее температура вставки, тем лучше качество продукта и выше эффективность производства. После проверки пробной формы продукты, сформированные с помощью конформного решения для охлаждения с водяным каналом для 3D-печати, имеют повышение эффективности производства более чем на 30% по сравнению с традиционной формой с водяным каналом, а уровень дефектов практически равен нулю, что полностью соответствует требованиям производства и использования.

Заключение 4

1) В качестве подложки используется композитный материал из литой стали, армированный частицами WC, и его эксплуатационные характеристики улучшаются после 3D печать. Прочность на сжатие и предел текучести при сжатии композитного материала с добавлением 30% (массовая доля) WC достигли 1757 МПа и 1677 МПа соответственно, что примерно на 20% выше показателей сжатия стальной матрицы пресс-формы. Композитный материал может использоваться в пресс-формах для 3D-печати для снижения деформации пресс-формы и повышения качества продукции.

2) Самонесущая эллиптическая конструкция конформной охлаждающей формы с водяным каналом прорывает ограничение диаметра обычного водяного канала и повышает эффективность охлаждения формы. Конформная конструкция может снизить максимальную температуру поверхности формы на 47.4%, среднюю температуру поверхности формы на 40.9% и равномерность температуры поверхности формы на 1.8%. Охлаждающий эффект значительно улучшается, а конформная форма с водяным каналом может эффективно уменьшить деформацию продукта, улучшить размерную стабильность продукта и значительно улучшить качество продукта.

3) По сравнению с традиционными формами с водяными каналами эффективность производства изделий, сформированных с помощью 3D-печатной конформной схемы охлаждения с водяными каналами, увеличивается более чем на 30%, что полностью соответствует требованиям производства и эксплуатации.