Konformnú chladiacu formu vyrobil Technológia 3D tlačea substrát z 3D tlač bol študovaný. Pevnosť v tlaku a medza klzu 3D tlačeného kompozitného materiálu s 30 % (hmotnostná frakcia) pridaného karbidu volfrámu (WC) dosiahli 1757 1677 MPa a 20 3 MPa, čo je asi o 3 % viac ako kompresný výkon matrice z formovacej ocele. Vzhľadom na problémy s dlhým časom chladenia, deformáciou produktu a rozmerovou nestabilitou v dizajne formy bola navrhnutá forma konformného kanála chladiacej vody na báze kovovej XNUMXD tlače a simulačná analýza bola vykonaná pomocou softvéru Moldflow. Výsledky ukazujú, že riešenie konformného vodného kanála môže výrazne zlepšiť účinnosť chladenia a znížiť deformáciu produktu. Technológia kovovej XNUMXD tlače má široký rozsah aplikačnej hodnoty v oblasti konformných chladiacich foriem. Plastové výrobky sa vyrábajú hlavne vo vstrekovacích lisoch pomocou foriem. V celom výrobnom procese je čas a náklady na výrobu vstrekovacích foriem najvyššie. V súčasnosti rastúci dopyt po personalizovaných malosériových výrobkoch viedol k rýchlemu rozvoju priemyslu foriem a čoraz tvrdšej konkurencii. Preto je okrem neustáleho zlepšovania kvality a výkonu vstrekovacích foriem potrebné aj minimalizovať ich výrobné náklady a skrátiť cyklus vývoja produktu, aby sa rýchlo uchytil na trhu.

V procese lisovania plastových dielov predstavuje fáza chladenia 2/3 celého lisovacieho cyklu. Nedostatočný čas chladenia môže spôsobiť chyby, ako sú stopy zmrštenia a deformácie plastových častí. Príliš dlhý čas chladenia ovplyvní aj efektivitu výroby a cenu plastových dielov. Preto sa zlepšenie účinnosti odvádzania tepla formy a skrátenie doby chladenia stali kľúčovými smermi výskumu v odvetví výroby foriem. Medzi nimi je dizajn špeciálne tvarovaných vodných kanálov jedným z efektívnych riešení na zlepšenie účinnosti odvádzania tepla formy a skrátenie doby chladenia. Tradičný kanál chladiacej vody formy je obmedzený technológiou spracovania a dá sa dosiahnuť iba vŕtaním otvorov do formy. Forma má však často zložité mechanizmy, ako sú tlačné tyče, šikmé vodiace stĺpiky a posúvače. Pri návrhu vodného kanála je potrebné vyhnúť sa niektorým existujúcim mechanizmom formy. Preto sa stalo veľmi náročnou úlohou vytvoriť účinný kanál chladiacej vody vo forme na rýchle a rovnomerné chladenie plastových dielov.

Ak vezmeme ako príklad vstrekovacie formy, existujúce vstrekovacie formy majú tieto hlavné problémy spôsobené chladiacimi faktormi: (1) Existujúca technológia spracovania foriem obmedzuje technológiu spracovania vodných kanálov, čo vedie k neschopnosti úplne splniť požiadavky na chladenie plastových dielov, čo má za následok v problémoch, ako je nedostatočná kvalita plastových dielov alebo neschopnosť priamo formovať; (2) Existujúca technológia spracovania foriem obmedzuje účinnosť chladenia vodného kanála, predlžuje čas chladenia, ďalej ovplyvňuje čas vyhadzovania vstrekovaného výrobku, čím ovplyvňuje efektivitu výroby a oneskoruje propagáciu trhu s výrobkami; (3) Problém chladenia počas procesu vstrekovania výrobku často obmedzuje štrukturálny a funkčný dizajn výrobku. Proces striekania počas vysokotlakového vstrekovania má dva hlavné účely: jedným je mazanie na zlepšenie vyberania z formy; druhý má pôsobiť ako rozprašovacie médium na chladenie. Trend priemyselného rozvoja je minimalizovať alebo eliminovať krok striekania. Použitie konformného chladiaceho dizajnu môže znížiť dopyt po striekaní, predĺžiť životnosť formy a zabezpečiť kvalitu vstrekovaných dielov1.

Technológia kovovej laserovej 3D tlače je založená na princípe vrstvenej výroby a vrstvenia vrstvenia. Podľa trojrozmerného štrukturálneho modelu požadovaných častí sa navrhne súbor slice modelu. Kovový práškový materiál sa roztaví podľa stanovenej trajektórie skenovania pomocou laserového 3D tlačového zariadenia, stuhne a vytvaruje a navrství vrstvu po vrstve, ktorá môže vytvárať časti s akýmkoľvek zložitým geometrickým tvarom7. V porovnaní s tradičnými metódami spracovania môže laserové selektívne tavenie (SLM) produkovať jadrá a dutiny foriem s vysoko presnými komplexnými konformnými vodnými kanálmi, čo výrazne znižuje čas chladenia formy a skracuje výrobný cyklus formy.

Na základe technológie kovovej 3D tlače tento článok študuje výkon tlačového substrátu, navrhuje presný konformný chladiaci systém pre vstrekovacie formy, používa softvér na analýzu toku formy na analýzu výkonu konformných chladiacich foriem, optimalizuje kľúčové procesné parametre konformných chladiacich foriem. a používa technológiu 3D tlače na tlač formy a vykonávanie testov vstrekovania.

1 Materiálový výskum

Podľa potrieb častí formy vyberte nízkouhlíkovú vysokopevnostnú oceľ s dobrou odolnosťou proti korózii a vysokou tvrdosťou. Tlač z kompozitných materiálov je súčasným smerom výskumu výroby kovových aditív. Pridaním keramickej fázy karbidu volfrámu (WC) je možné zlepšiť pevnosť a tvrdosť matrice, ako aj odolnosť proti opotrebeniu a tepelnú odolnosť, ale zároveň to prinesie aj problémy, ako je znížená plasticita. Analýza a skúmanie mechanizmu spevňovania keramickej fázy a väzby medzi keramickou fázou a rozhraním matrice je účinným spôsobom kontroly celkového výkonu kompozitného materiálu a zlepšenia húževnatosti.

Hmotnostný podiel WC vo formovacej oceli je 30 % a parametre procesu tvarovania SLM sú uvedené v tabuľke 1. Hustota vylisovanej vzorky meraná drenážnou metódou je až 9.11 g·cm'-3. Po vytvorení 30% (hmotnostnej frakcie) vzorky kompozitného materiálu z WC formy, po vysokoteplotnom roztoku pri 900 °C počas 1 hodiny a tepelnom spracovaní starnutím pri 500 °C počas 4 hodín sa zistilo, že tvrdosť je až 52.4 HRC. Prostredníctvom experimentov je možné vidieť, že jeho tvrdosť pozitívne koreluje s jeho hustotou. Čím vyššia hustota, tým menší počet vnútorných pórov a vyššia tvrdosť. Tvrdosť materiálu formovacej ocele bez prísad po tepelnom spracovaní starnutím v roztoku je 48 HRC. V porovnaní s tým je celková tvrdosť formovacej ocele s prídavkom WC do určitej miery zlepšená, čo naznačuje, že malé množstvo častíc WC sa rozpúšťa v matrici počas procesu úpravy roztoku.

Ako je možné vidieť na obrázku 1, s výnimkou niektorých častíc WC, ktoré si zachovávajú úplné a hladké sférické rozhranie, sa počas procesu úpravy roztoku rozpúšťajú iné častice WC, stávajú sa eliptickými alebo defektnými guľôčkami a malé častice WC miznú. To ukazuje, že častice WC sú čiastočne rozpustené v matrici a medzi časticami a substrátom sa vytvorí silná metalurgická väzba, čo výrazne zlepšuje celkovú pevnosť a tvrdosť materiálu, čo sa môže prejaviť aj v zmene tvrdosti materiálu. kompozitný materiál.

Výsledky testu kompresného výkonu kompozitných materiálov s rôznymi hmotnostnými frakciami (WC) ukazujú, že so zvyšujúcim sa hmotnostným podielom WC sa postupne zvyšuje pevnosť v tlaku a medza klzu kompozitného materiálu. Pevnosť v tlaku a medza klzu kompozitného materiálu s pridaným 30 % WC sú až 1757 1677 MPa a 20 XNUMX MPa, čo je asi o XNUMX % viac ako kompresný výkon matrice z formovacej ocele a stlačené časti nie sú zlomené, ale dochádza k deformácii stlačením. Preto sú WC kompozity používané ako substráty prospešné na zlepšenie výkonu formy.

2 Návrh a analýza konformného vodného kanála formy

Vzhľadom na štrukturálne charakteristiky produktov na dizajn foriem s konformným vodným kanálom sme najprv použili softvér na analýzu Moldflow na porovnanie analýzy toku formy v niekoľkých typických prípadoch s tradičnými vodnými kanálmi, preskúmali sme horúce miesta, teplotné gradienty, tepelnú deformáciu a ďalšie problémy v proces vstrekovania, navrhol konformné vodné kanály s rôznymi zakriveniami, vzdialenosťami od dutiny a tvarmi prierezov a neustále ich opakoval a optimalizoval s cieľom zvýšiť efektivitu výroby o viac ako 30 %. Analyzovali sme a zhrnuli vzťah medzi chladiacim účinkom a štrukturálnymi charakteristikami a rozmermi konformného vodného kanála so zameraním na minimálnu vzdialenosť medzi vodným kanálom a povrchom formy za rôznych pracovných podmienok, ako aj životnosť a chladiaci výkon pri rôzne vzdialenosti, požiadavky rôznych štrukturálnych charakteristík a systémov vstrekovacích materiálov na prietok vody a súlad medzi výsledkami simulačnej analýzy softvéru a skutočnými výsledkami.

2.1 Konformný dizajn vodného kanála

Prostredníctvom štúdia typickej štruktúry a materiálových charakteristík produktu sa analyzuje teplotný gradient procesu vstrekovania pomocou softvéru na analýzu konečných prvkov a navrhnú sa konformné vodné kanály s rôznym zakrivením, vzdialenosťou od dutiny a tvarmi prierezu. . Chladiaci účinok konformného vodného kanála sa analyzuje a optimalizuje iteratívne a analýza spájajúca teóriu a prax sa vykonáva prostredníctvom experimentov s cieľom stanoviť vzťah medzi teplotným gradientom a konformnou štruktúrou vodného kanála a predbežne určiť štandard dizajnu konformného vodného kanála. .

Ako príklad si vezmite hornú kryciu formu určitého produktu: podľa zásady, že vzdialenosť medzi kanálom chladiacej vody a povrchom lepidla musí byť väčšia ako 2/3 priemeru vodného kanála, hlboké rozloženie kostí a inovatívny pás Najprv sa navrhne hladký konformný vodný kanál v priereze, ako je znázornené na obrázku 2.

2.2 Analýza horúcich miest formy a deformácie

Poloha horúceho bodu je analyzovaná softvérom Moldflow, ako je znázornené na obrázku 3. Poloha horúceho bodu je 12 vyčnievajúcich malých stĺpcov, čo sú časti, ktoré je potrebné ochladiť. Teplotný gradient ovplyvňuje chladiacu deformáciu produktu. Vo všeobecnosti platí, že čím je teplota rovnomernejšia, tým lepšie a rozdiel medzi najvyššou a najnižšou teplotou by nemal presiahnuť 20 ℃.

Ako je možné vidieť na obrázku 4, najvyššia teplota povrchu formy tradičného opracovaného vodného kanála je 102 ℃, najnižšia je 30 ℃, extrémny teplotný rozdiel je 72 ℃ a výčnelok je vážne nedostatočne chladený. Pri skutočnej výrobe je ľahké spôsobiť nerovnomerné chladenie vstrekovaných výrobkov, veľkú deformáciu a neštandardnú kvalitu výrobkov; forma konformného vodného kanála je rovnomernejšia ako forma tradičného opracovaného vodného kanála, teplotný gradient je jemnejší, najvyššia teplota je asi 40 ℃ a chladiaci efekt je ideálny, čo prispieva k riadeniu chladenia a deformácie produktu a zlepšovanie kvality produktov.

Hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi tepelnú deformáciu sú trendový efekt, nerovnomerné chladenie a nerovnomerné zmršťovanie. Prostredníctvom Moldflow analýzy sa faktory každej deformácie rozložia, zistia sa hlavné faktory ovplyvňujúce deformáciu a potom sa vykonajú zodpovedajúce vylepšenia na zníženie deformácie. Pretože materiál neobsahuje sklenené vlákno, nedochádza k orientovanej deformácii. Ako je možné vidieť na obrázku 5, hlavným deformačným faktorom ovplyvňujúcim tento produkt je deformácia spôsobená nerovnomerným zmršťovaním, takže hrúbka steny produktu sa môže meniť, aby bola rovnomernejšia.

Obrázok 6 je porovnanie tepelnej deformácie vložiek foriem medzi tradičnými vodnými kanálikmi a konformnými vodnými kanálikmi. Je vidieť, že deformácia konformných vodných kanálov a tradičných opracovaných vodných kanálov je blízko a oba sú v kontrolovateľnom rozsahu. Je to najmä preto, že hlavným faktorom ovplyvňujúcim deformáciu je deformácia zmršťovaním spôsobená nerovnomernou hrúbkou steny.

2.3 Analýza konformného usporiadania vodného kanála

Konformné vodné kanály môžu byť bližšie k dutine ako tradičné opracované vodné kanály a vzdialenosť medzi vodným kanálom a dutinou je väčšia alebo rovná 2/3 priemeru vodného kanála. Závisí to od štruktúry formy. Ak sa vedľa neho nachádzajú otvory vyhadzovača, šikmé otvory vyhadzovača, otvory pre vložky atď., odporúča sa, aby vzdialenosť medzi vodným kanálom a dutinou bola väčšia alebo rovná priemeru vodného kanála. Obrázky 7 a 8 sú porovnanie chladiacich účinkov vodných kanálikov vzdialených 2.5 mm a 5.0 mm od dutiny. Pri porovnaní je možné vidieť, že chladiaci účinok vodného kanála vzdialeného 2.5 mm od dutiny je lepší ako chladiaci účinok vodného kanála vzdialeného 5.0 mm od dutiny. Čím je vzdialenosť kratšia, tým je teplota vložky rovnomernejšia a cyklus chladenia kratší. Je zrejmé, že podľa rozumných zásad platí, že čím bližšie je vodný kanál k dutine, tým lepší je chladiaci účinok, ale treba poznamenať, že vzdialenosť medzi vodným kanálom a dutinou je vždy rovnomerná.

2.4 Analýza konformného návrhu prierezu vodného kanála

Prierezová plocha konformných vodných kanálov je rovnaká ako pri tradičných vŕtaných vodných kanáloch a obe by mali byť počas projektovania čo najviac konzistentné. Tento experiment navrhuje schémy eliptického a kruhového prierezu, ako je znázornené na obrázku 9(a) a obrázku 10(a). Z vyššie uvedeného porovnania je vidieť, že vodný kanál s eliptickým trojuholníkovým prierezom má väčší prietok vody, lepší chladiaci účinok, kratší cyklus a rovnomernejšiu teplotu vložky ako vodný kanál s kruhovým prierezom. Preto čím väčšia je plocha prierezu transportu vody, tým lepší je chladiaci účinok. Chladiaci cyklus je dôležitým parametrom pre skúšobné formy výrobkov na vstrekovanie a konformné vodné kanály môžu dobre zlepšiť chladiaci cyklus.

Tradičný opracovaný vodný kanál a konformný vodný kanál sa zavedú do Moldflow a porovnávací účinok týchto dvoch sa analyzuje vložením rovnakého vstrekovacieho materiálu (PETG, informácie o materiáli pozri tabuľku 2) a rovnakých parametrov procesu teploty vody (vstup teplota vody je nastavená na 20 °C).

Z výsledkov analýzy simulácie Moldflow na obrázkoch 11 a 12 je možné vidieť, že chladiaci cyklus konformného vodného kanála je 19 s (vrátane 5 s času otvorenia a zatvorenia formy), zatiaľ čo chladiaci cyklus tradičného opracovaného vodného kanála je 27 s. (vrátane 5 s času otvorenia a zatvorenia formy). Konformný vodný kanál je lepší ako tradičný opracovaný vodný kanál a jeho cyklus je skrátený o 30 %, čím sa dosiahne optimalizačný cieľ.

3 Overenie formy

Po analýze toku formy sa určí návrh štruktúry formy a Kovové 3D tlačové zariadenia SLM (HBDG350) nezávisle vyvinuté spoločnosťou Technológia Hanbang sa používa na tlač. Proces tlače a skutočný výrobok po vytlačení sú znázornené na obrázku 13. Po vytlačení sa vykoná rezanie drôtom, tepelné spracovanie a obrábanie a potom sa forma nainštaluje na skúšobné vstrekovanie výrobkov do formy; skúšobná forma overuje hlavne chladiaci cyklus formy a teplotu vložky, pretože chladiaci cyklus ovplyvní efektivitu výroby a teplota vložky ovplyvní efektivitu výroby a kvalitu produktu. Čím kratší je cyklus chladenia, tým vyššia je efektívnosť výroby a vyššie ekonomické výhody; čím rovnomernejšia je teplota vložky, tým lepšia je kvalita produktu a vyššia efektivita výroby. Po overení skúšobnej formy majú produkty tvorené 3D tlačovým konformným riešením chladenia vodného kanála zlepšenie efektívnosti výroby o viac ako 30% v porovnaní s tradičnou formou vodného kanála a chybovosť je takmer nulová, čo plne vyhovuje výrobe a požiadavky na používanie.

Záver 4

1) Kompozitný materiál z formovacej ocele vystužený časticami WC sa používa ako substrát a jeho výkon sa potom zlepšuje 3D tlač. Pevnosť v tlaku a medza klzu v tlaku kompozitného materiálu s pridaným 30 % (hmotnostný podiel) WC dosiahli 1757 1677 MPa a 20 3 MPa, čo je asi o XNUMX % viac ako kompresný výkon matrice formovacej ocele. Kompozitný materiál možno použiť vo formách pre XNUMXD tlač na zníženie deformácie formy a zlepšenie kvality produktu.

2) Samonosná konštrukcia chladiacej formy s konformným eliptickým vodným kanálom prekračuje bežný limit priemeru vodného kanála a zlepšuje účinnosť chladenia formy. Konformný dizajn môže znížiť maximálnu teplotu povrchu formy o 47.4 %, priemernú teplotu povrchu formy o 40.9 % a rovnomernosť teploty povrchu formy o 1.8 %. Chladiaci účinok je výrazne zlepšený a forma konformného vodného kanála môže účinne znížiť deformáciu produktu, zlepšiť rozmerovú stabilitu produktu a výrazne zlepšiť kvalitu produktu.

3) V porovnaní s tradičnými formami s vodnými kanálmi sa účinnosť výroby produktov vytvorených schémou chladenia konformného vodného kanála 3D tlače zvyšuje o viac ako 30%, čo plne spĺňa požiadavky na výrobu a použitie.