Конформну охолоджуючу форму виготовив Технологія 3D-друку, а субстрат з 3D друку було вивчено. Міцність при стиску та межа текучості при 3D-друкі композитного матеріалу з додаванням 30% (масової частки) карбіду вольфраму (WC) досягли 1757 МПа та 1677 МПа відповідно, що приблизно на 20% вище, ніж ефективність стиснення сталевої матриці прес-форми. З огляду на проблеми тривалого часу охолодження, деформації продукту та нестабільності розмірів у конструкції прес-форми, була розроблена форма з конформним каналом охолоджувальної води на основі металевого 3D-друку, а аналіз моделювання проводився за допомогою програмного забезпечення Moldflow. Результати показують, що рішення конформного водяного каналу може значно підвищити ефективність охолодження та зменшити деформацію продукту. Технологія 3D-друку з металу має широкий діапазон застосування в області конформних форм для охолодження. Пластмасові вироби в основному формуються в машинах для лиття під тиском за допомогою форм. У всьому виробничому процесі час і вартість виготовлення ливарних форм найвищі. У наш час зростаючий попит на персоналізовану дрібносерійну продукцію призвів до швидкого розвитку промисловості прес-форм і все більш жорсткої конкуренції. Тому, окрім постійного вдосконалення якості та продуктивності прес-форм для лиття під тиском, також необхідно мінімізувати витрати на її виробництво та скоротити цикл розробки продукту, щоб швидко захопити ринок.

У процесі формування пластикових деталей стадія охолодження займає 2/3 всього циклу формування. Недостатній час охолодження може спричинити такі дефекти, як сліди усадки та деформація пластикових деталей. Занадто довгий час охолодження також вплине на ефективність виробництва та вартість пластикових деталей. Таким чином, підвищення ефективності розсіювання тепла прес-форми та скорочення часу охолодження стали ключовими напрямками досліджень у промисловості форм. Серед них конструкція каналів для води спеціальної форми є одним із ефективних рішень для підвищення ефективності розсіювання тепла форми та скорочення часу охолодження. Традиційний канал для охолодження прес-форми обмежений технологією обробки та може бути досягнутий лише шляхом свердління отворів у формі. Однак прес-форма часто має складні механізми, такі як штовхачі, похилі напрямні колони та повзуни. При проектуванні водяного каналу необхідно уникати певних існуючих механізмів форми. Тому зробити ефективний канал охолоджувальної води у прес-формі для швидкого та рівномірного охолодження пластикових деталей стало дуже складним завданням.

Візьмемо як приклад прес-форми для лиття під тиском. У існуючих прес-форм для лиття під тиском виникають такі основні проблеми через фактори охолодження: (1) Існуюча технологія обробки прес-форм обмежує технологію обробки водяного каналу, що призводить до неможливості повністю задовольнити вимоги до охолодження пластикових деталей, в результаті чого у таких проблемах, як неякісна якість пластикових деталей або неможливість прямого формування; (2) Існуюча технологія обробки форми обмежує ефективність охолодження водяного каналу, подовжує час охолодження, додатково впливає на час викиду продукту, формованого під тиском, тим самим впливаючи на ефективність виробництва та затримуючи просування продукту на ринок; (3) Проблема охолодження під час процесу лиття під тиском продукту часто обмежує структурний і функціональний дизайн продукту. Процес розпилення під час ін’єкції під високим тиском має дві основні мети: одна – це змащування для покращення виймання з форми; інший - діяти як розпилювач для охолодження. Тенденція промислового розвитку полягає в мінімізації або виключенні етапу розпилення. Використання конформної конструкції охолодження може зменшити попит на розпилення, подовжити термін служби прес-форми та забезпечити якість деталей, виготовлених під тиском1.

Технологія лазерного 3D-друку металу заснована на принципі пошарового виготовлення та пошарового суперпозиційного формування. Відповідно до тривимірної структурної моделі необхідних деталей проектується файл моделі зрізу. Металевий порошок розплавляється відповідно до встановленої траєкторії сканування за допомогою обладнання для лазерного 3D-друку, твердіє та формується, а потім накладається шар за шаром, який може формувати деталі будь-якої складної геометричної форми7. У порівнянні з традиційними методами обробки, лазерне селективне плавлення (SLM) може виробляти серцевини форми та порожнини з високоточними складними конформними водяними каналами, що значно скорочує час охолодження форми та скорочує виробничий цикл форми.

Базуючись на технології 3D-друку з металу, ця стаття вивчає продуктивність підкладки для друку, розробляє точну конформну систему охолодження для форм для лиття під тиском, використовує програмне забезпечення для аналізу потоку прес-форм для аналізу продуктивності конформних форм для охолодження, оптимізує ключові параметри процесу конформних форм для охолодження , і використовує технологію 3D-друку для друку форми та проведення випробувань лиття під тиском.

1 Матеріал дослідження

Відповідно до потреб деталей прес-форми вибирайте низьковуглецеву високоміцну сталь з хорошою стійкістю до корозії та високою твердістю. Друк на композиційних матеріалах є актуальним напрямком досліджень у виробництві металевих добавок. Додаючи керамічну фазу карбіду вольфраму (WC), можна покращити міцність і твердість матриці, а також зносостійкість і термостійкість, але в той же час це також призведе до таких проблем, як зниження пластичності. Аналіз та вивчення механізму зміцнення керамічної фази та зв’язку між керамічною фазою та межею розділу матриці є ефективним способом контролювати загальну продуктивність композитного матеріалу та покращувати міцність.

Масова частка WC у прес-формі становить 30%, а параметри процесу формування SLM наведені в таблиці 1. Щільність формованого зразка, виміряна методом дренажу, становить 9.11 г·см'-3. Після формування 30% (масової частки) зразка композиційного матеріалу з формованої сталі WC, після високотемпературного розчину при 900 ℃ протягом 1 години та термообробки старіння при 500 ℃ протягом 4 годин виявлено, що твердість становить 52.4 HRC. За допомогою експериментів можна побачити, що його твердість позитивно корелює з його щільністю. Чим вище щільність, тим менше внутрішніх пор і вище твердість. Твердість сталевого матеріалу форми без добавок після термічної обробки старінням у розчині становить 48HRC. Для порівняння, загальна твердість прес-форми з додаванням WC покращилася до певної міри, що вказує на те, що невелика кількість частинок WC розчиняється в матриці під час процесу обробки розчину.

Як видно з рисунка 1, за винятком деяких частинок WC, які зберігають повну та гладку сферичну поверхню, інші частинки WC розчиняються під час процесу обробки розчину, стаючи еліптичними або дефектними сферами, а дрібні частинки WC зникають. Це показує, що частинки WC частково розчинені в матриці, і між частинками та підкладкою утворюється міцний металургійний зв’язок, що значно покращує загальну міцність і твердість матеріалу, що також може відображатися на зміні твердості матеріалу. композитний матеріал.

Результати випробування ефективності стиску композитних матеріалів з різними масовими частками (WC) показують, що зі збільшенням масової частки WC міцність на стиск і межа текучості композитного матеріалу поступово зростають. Міцність при стиску та межа текучості при стиску композитного матеріалу з додаванням 30% WC досягають 1757 МПа та 1677 МПа відповідно, що приблизно на 20% вище, ніж ефективність стиснення сталевої матриці прес-форми, а стиснуті частини не руйнуються, але відбувається деформація стиснення. Таким чином, WC композити, які використовуються як підкладки, є корисними для покращення продуктивності прес-форми.

2 Проектування та аналіз конформного водяного каналу форми

З огляду на структурні характеристики конформних водяних каналів для проектування прес-форм, ми вперше використали програмне забезпечення для аналізу Moldflow, щоб порівняти аналіз потоку прес-форми в кількох типових випадках із традиційними водяними каналами, досліджували гарячі точки, температурні градієнти, термічну деформацію та інші проблеми в процес лиття під тиском, спроектував конформні водяні канали з різними кривизнами, відстанями від порожнини та формами поперечного перерізу, а також постійно їх ітерував та оптимізував з метою підвищення ефективності виробництва більш ніж на 30%. Ми проаналізували та узагальнили зв’язок між ефектом охолодження та структурними характеристиками та розмірами конформного водяного каналу, зосередившись на мінімальній відстані між водяним каналом і поверхнею прес-форми за різних робочих умов, а також на довговічності та продуктивності охолодження при різні відстані, вимоги до різних структурних характеристик і систем лиття під тиском для потоку води, а також узгодженість між результатами аналізу моделювання програмного забезпечення та фактичними результатами.

2.1 Конформна конструкція водяного каналу

Завдяки вивченню типової структури та характеристик матеріалу виробу, температурний градієнт процесу лиття під тиском аналізується за допомогою програмного забезпечення для аналізу кінцевих елементів, а також розроблені конформні водні канали з різною кривизною, відстанню від порожнини та формами поперечного перерізу. . Ефект охолодження конформного водяного каналу аналізується та оптимізується ітераційно, а аналіз, що поєднує теорію та практику, здійснюється шляхом експериментів, щоб встановити взаємозв’язок між градієнтом температури та структурою конформного водяного каналу, а також попередньо визначити стандарт конструкції конформного водяного каналу. .

Візьміть форму для верхньої кришки певного продукту як приклад: відповідно до принципу, згідно з яким відстань між каналом охолоджуючої води та поверхнею клею має бути більше 2/3 діаметра каналу для води, глибоке розташування кісток та інноваційна талія Гладкий конформний водяний канал у формі поперечного перерізу спочатку проектується, як показано на малюнку 2.

2.2 Аналіз гарячих точок цвілі та деформації

Положення гарячої точки аналізується за допомогою програмного забезпечення Moldflow, як показано на малюнку 3. Позиція гарячої точки – це 12 виступаючих невеликих стовпчиків, які є частинами, які потрібно охолодити. Температурний градієнт впливає на охолоджуючу деформацію виробу. Загалом, чим рівномірніша температура, тим краще, а різниця між найвищою та найнижчою температурами не повинна перевищувати 20 ℃.

Як видно з рисунка 4, найвища температура поверхні прес-форми традиційного обробленого водяного каналу становить 102 ℃, найнижча – 30 ℃, надзвичайна різниця температур становить 72 ℃, а виступ серйозно недостатньо охолоджується. У реальному виробництві легко спричинити нерівномірне охолодження виробів, виготовлених під тиском, велику деформацію та неякісну якість продукції; форма конформного водяного каналу є більш однорідною, ніж форма традиційного обробленого водяного каналу, температурний градієнт м’який, найвища температура становить близько 40 ℃, а ефект охолодження ідеальний, що сприяє контролю охолодження та деформації продукту та підвищення якості продукції.

Основними факторами, що впливають на термічну деформацію, є ефект тренду, нерівномірне охолодження та нерівномірна усадка. За допомогою аналізу Moldflow фактори кожної деформації розкладаються, виявляються основні чинники, що впливають на деформацію, а потім вносяться відповідні покращення для зменшення деформації. Оскільки матеріал не містить скловолокна, орієнтована деформація відсутня. Як видно з рисунка 5, основним фактором деформації, що впливає на цей виріб, є деформація, викликана нерівномірною усадкою, тому товщину стінки виробу можна змінити, щоб зробити його більш рівномірним.

На рисунку 6 представлено порівняння термічної деформації вставок форми між традиційними водяними каналами та конформними водяними каналами. Можна побачити, що деформація конформних водяних каналів і традиційних механічно оброблених водяних каналів є близькою, і обидва знаходяться в межах контрольованого діапазону. Це головним чином тому, що основним фактором, що впливає на деформацію, є деформація усадки, викликана нерівномірною товщиною стінки.

2.3 Аналіз конформної схеми водотоку

Конформні водяні канали можуть бути ближче до порожнини, ніж традиційні механічно оброблені водяні канали, а відстань між водяним каналом і порожниною більше або дорівнює 2/3 діаметра водяного каналу. Це залежить від структури форми. Якщо поруч є ежекторні отвори, похилі ежекторні отвори, вставні отвори тощо, рекомендовано, щоб відстань між водяним каналом і порожниною була більшою або дорівнювала діаметру водяного каналу. На малюнках 7 і 8 показано порівняння ефектів охолодження водяних каналів на відстані 2.5 мм і 5.0 мм від порожнини. Для порівняння можна побачити, що ефект охолодження водяного каналу на відстані 2.5 мм від порожнини кращий, ніж водяного каналу на відстані 5.0 мм від порожнини. Чим менша відстань, тим рівномірніша температура вставки та коротший цикл охолодження. Можна побачити, що згідно з розумними принципами, чим ближче водний канал до порожнини, тим кращий ефект охолодження, але слід зазначити, що відстань між водним каналом і порожниною завжди рівномірна.

2.4 Аналіз конструкції поперечного перерізу конформного водопроводу

Площа поперечного перерізу конформних водяних каналів така ж, як у традиційних просвердлених водяних каналів, і обидва повинні бути якомога постійнішими під час проектування. У цьому експерименті запропоновано еліптичні та круглі схеми поперечного перерізу, як показано на рисунку 9(a) та малюнку 10(a). З наведеного вище порівняння видно, що водяний канал з еліптичним трикутним поперечним перерізом має більшу швидкість потоку води, кращий ефект охолодження, коротший цикл і більш рівномірну температуру вставки, ніж водяний канал з круглим поперечним перерізом. Отже, чим більша площа поперечного перерізу для транспортування води, тим кращий ефект охолодження. Цикл охолодження є важливим параметром для пробних форм для виробів лиття під тиском, і конформні водяні канали можуть добре покращити цикл охолодження.

Традиційний механічно оброблений водяний канал і конформний водяний канал вводяться в Moldflow, і порівняльний ефект обох аналізується шляхом завантаження того самого матеріалу для лиття під тиском (PETG, інформацію про матеріал див. у таблиці 2) і однакових параметрів процесу температури води (вхідний отвір). температура води встановлена ​​на 20 ℃).

З результатів аналізу моделювання Moldflow на малюнках 11 і 12 видно, що цикл охолодження конформного водяного каналу становить 19 с (включаючи 5 с часу відкриття та закриття форми), тоді як цикл охолодження традиційного обробленого водяного каналу становить 27 с. (включаючи 5 секунд часу відкриття та закриття форми). Конформний водяний канал є кращим за традиційний механічно оброблений водяний канал, і його цикл скорочений на 30%, досягаючи мети оптимізації.

3 Перевірка форми

Після аналізу потоку форми визначається конструкція структури форми та Обладнання для 3D друку металу SLM (HBDG350) самостійно розроблено Технологія Hanbang використовується для друку. Процес друку та фактичний продукт після друку показано на малюнку 13. Після друку виконується різання дроту, термічна обробка та механічна обробка, а потім встановлюється прес-форма для лиття під тиском у пробній формі продукту; пробна форма в основному перевіряє цикл охолодження форми та температуру вставки, оскільки цикл охолодження впливатиме на ефективність виробництва, а температура вставки впливатиме на ефективність виробництва та якість продукту. Чим коротший цикл охолодження, тим вища ефективність виробництва та вищі економічні вигоди; чим більш рівномірна температура вставки, тим краща якість продукту та вища ефективність виробництва. Після перевірки пробної форми вироби, сформовані за допомогою рішення для охолодження конформного водяного каналу 3D-друку, мають підвищення ефективності виробництва більш ніж на 30% порівняно з традиційною формою для водяного каналу, а рівень браку майже нульовий, що повністю відповідає вимогам виробництва та вимоги до використання.

Висновок 4

1) В якості підкладки використовується композиційний матеріал зі сталевої форми, армований частинками WC, і його продуктивність покращується після 3D друку. Міцність при стиску та межа текучості при стиску композитного матеріалу з додаванням 30% (масова частка) WC досягли 1757 МПа та 1677 МПа відповідно, що приблизно на 20% вище, ніж ефективність стиснення сталевої матриці прес-форми. Композитний матеріал можна використовувати у формах для 3D-друку, щоб зменшити деформацію форми та покращити якість продукції.

2) Конформна конструкція охолоджувальної форми з еліптичним водяним каналом, що підтримується, долає звичайний ліміт діаметра водяного каналу та покращує ефективність охолодження форми. Конформна конструкція може знизити максимальну температуру поверхні форми на 47.4%, середню температуру поверхні форми на 40.9%, а однорідність температури поверхні форми на 1.8%. Ефект охолодження значно покращився, а форма з конформним водяним каналом може ефективно зменшити деформацію продукту, покращити стабільність розмірів продукту та значно покращити якість продукту.

3) У порівнянні з традиційними прес-формами для водяних каналів, ефективність виробництва виробів, сформованих за допомогою 3D-друку з конформною схемою охолодження водяного каналу, підвищується більш ніж на 30%, що повністю відповідає вимогам виробництва та використання.