摘要：依托一個應(yīng)用金屬3D打印技術(shù)的汽車主安全氣囊蓋板模具中心鑲塊設(shè)計和制造驗(yàn)證項(xiàng)目，提出了新式隨形冷卻水道的設(shè)計建模思路，同時對最終塑料件產(chǎn)品的質(zhì)量影響因子進(jìn)行分析，對塑料件模具冷卻水道設(shè)計新方法進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：3D打?。蛔⑺苣＞?；隨形冷卻水道

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-09-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.027

1 傳統(tǒng)塑料模具冷卻水道特點(diǎn)

注塑模具的冷卻系統(tǒng)是注塑模具的重要組成部分，直接影響到生產(chǎn)制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。模具的冷卻時間約占整個生產(chǎn)循環(huán)周期的2/3，縮短冷卻時間是提高模具生產(chǎn)的關(guān)鍵。高溫的塑料熔體進(jìn)入模具型腔需要冷卻固化，釋放出熱量，模具通過傳導(dǎo)、對流、輻射等方式將熱量散發(fā)到空氣中，但70%以上的熱量需要由冷卻水系統(tǒng)帶走。因此模具內(nèi)部冷卻水道的尺寸、形狀、數(shù)量和分布要有利于提高模具的冷卻效率。

傳統(tǒng)塑料模具的冷卻水道通常采用機(jī)加工方法，利用鉆床、銑床等機(jī)加工工藝，在模具或模板上鉆孔，水路只能為圓柱形直孔。當(dāng)模具型腔為空間型面較復(fù)雜時，采用機(jī)加工方法很難做到水道和型腔基本隨形，無法完全保證貼近注塑件表面，冷卻效率低且冷卻程度和速度不均勻，有可能在型腔中出現(xiàn)冷區(qū)或熱區(qū)，造成塑件各部位冷卻速度不均勻，產(chǎn)生熱變形和熱缺陷。

2 金屬3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)作為一種解決輕量化、一體化設(shè)計、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的先進(jìn)制造技術(shù)，近年來在汽車行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，在汽車零部件創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計、一體化制造、復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)件制造、個性化需求試制方面顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢［1-2］。在汽車車身、底盤零部件和零部件制造領(lǐng)域，較多采用金屬3D打印技術(shù)。在所有的金屬3D打印技術(shù)中，選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)（SLS）是應(yīng)用較為廣泛的3D技術(shù)。

選擇性燒結(jié)技術(shù)SLS（Selective Laser Sinte ring）又稱選擇性激光燒結(jié)，由德克薩斯大學(xué)的Carl Deckard和同事在1989年發(fā)明的[3]。SLS的基本原理是采用高能激光直接熔融金屬粉末沉積，同時粉末金屬材料燒結(jié)固化，通過系統(tǒng)自動疊層，逐步生成致密的幾何形狀的實(shí)體零部件。SLS技術(shù)憑借其設(shè)計靈活度高、優(yōu)于鑄造、媲美鍛造的產(chǎn)品機(jī)械性能、高尺寸精度、低的后續(xù)機(jī)加工余量，成為所有3D技術(shù)中，真正在終端領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的金屬3D打印技術(shù)。在汽車零部件模具制造方面，金屬3D打印在一些小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、隨形冷卻方面具有技術(shù)優(yōu)勢和一定程度的成本優(yōu)勢，針對某些異形、特定幾何形狀優(yōu)勢更明顯。

3 隨形冷卻水道設(shè)計

傳統(tǒng)的汽車主安全氣囊蓋板模具型腔的模芯中央的鑲塊，處在模具的中心位置（圖1、圖2），此位置溫度最高，鑲塊需要更快和更均勻的冷卻速度。模具中心鑲塊因最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要，分為多個鑲塊組合而成（圖2）。注射成形過程包括預(yù)熱階段、注射階段、冷卻階段，其中冷卻保壓階段占據(jù)整個成形周期的50%以上。如模具溫度過高，會使成型的塑件收縮率增大、尺寸精度下降，表面產(chǎn)生花斑，并導(dǎo)致產(chǎn)品脫模困難[4]。

隨形冷卻水道（Conformal Cooling Channel，CCC）是指隨產(chǎn)品形狀輪廓變化而變化的冷卻水道。其工作原理是利用水路跟隨制件外形進(jìn)行布置，從而快速降低溫度[5]。與傳統(tǒng)的冷卻水道相比，隨形冷卻水道可以是異形，能夠很好解決傳統(tǒng)冷卻水道與型腔表面距離不一致的問題，使模具型溫度分布均勻，從而實(shí)現(xiàn)注塑產(chǎn)品的高效均勻冷卻，減小翹曲變形等缺陷，同時縮短制品的成型周期，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品競爭力[6]。

鑲塊1（圖3）相較于其他鑲塊2～6，形狀復(fù)雜，型面彎曲，前端尖銳，中間多條裂隙，整體厚度較小，無法采用傳統(tǒng)機(jī)加工方式制造冷卻水道，或者只能在鑲塊底座處做出局部冷卻水道，在整個鑲塊高度方向，無冷卻水道布置，直接造成模具局部溫度過高，導(dǎo)致產(chǎn)品此部位和其他部位相比，冷卻緩慢。產(chǎn)品整體冷卻速度不均勻，極易產(chǎn)生翹曲變形、開裂飛邊、冷縮等缺陷。為保證產(chǎn)品整體冷卻定型，在生產(chǎn)中常常采用延長冷卻時間，等待中心部位所有區(qū)域都冷卻到合適溫度才開模。冷卻節(jié)拍時間過長，嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。鑲塊2～6型面直立，整體厚度均勻，可采用傳統(tǒng)機(jī)加工方法加工出圓孔形直冷卻孔道。

根據(jù)3D打印技術(shù)工藝特點(diǎn)，可在中心鑲塊1內(nèi)部堆疊出隨形冷卻管道，完全不受傳統(tǒng)機(jī)加工工藝方法限制。隨形冷卻水道的布置，僅取決于模具冷卻速度要求，和模具具體形狀，不受傳統(tǒng)機(jī)加工工藝要求影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活度大幅提高。隨形水道截面可采用多種截面形狀，甚至可以是異形結(jié)構(gòu)，如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)機(jī)加工方法完全無法實(shí)現(xiàn)的。

傳統(tǒng)的主安全氣囊蓋板表面一般還會做皮紋處理，一方面是為了產(chǎn)品外觀美觀，另一方面也可以遮掩部分產(chǎn)品細(xì)部缺陷，如縮痕、橘皮等。采用隨形冷卻水道結(jié)構(gòu)，使主安全氣囊蓋板模具中心鑲塊可靠冷卻，有效減少最終產(chǎn)品的翹曲變形、開裂飛邊、氣泡、縮痕等產(chǎn)品缺陷，顯著提升產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。同時鑲塊內(nèi)的冷卻管道可保證核心鑲塊冷卻速度與其他鑲塊冷卻速度一致，保證模具中心區(qū)域溫度變化一致，減少因溫度不一致產(chǎn)生的各種產(chǎn)品缺陷，由于鑲塊位于模具最核心區(qū)，良好的冷卻速度，可大幅減少模具整體的冷卻時間，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

利用3D打印技術(shù)工藝特點(diǎn)，進(jìn)行注塑模具鑲塊隨形冷卻水道設(shè)計，并經(jīng)實(shí)物驗(yàn)證，可以看出，隨形冷卻水道對注塑件模具模芯冷卻產(chǎn)生了良好的效果。雖然3D打印工藝在單件部件生產(chǎn)成本上較傳統(tǒng)鑄造和機(jī)加工方法制備的鑲塊有一定增加，但最終得到的終端產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率有了較大改善，且具備其他有利效果。

a.根據(jù)注塑件形狀復(fù)雜程度，可降低冷卻時間20%至80%；b.根據(jù)注塑件形狀，可減少變形量15%～90%；c.模具成本略有提高，但綜合產(chǎn)能、良品率等因素，最終效益大幅提高；d.隨形水路應(yīng)用范圍廣，可用于多數(shù)注塑模具的冷卻優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐海彬.金屬3D打印——未來制造業(yè)的數(shù)字化變革[J].金屬加工（熱加工），2024（1）：127-131.

[2]縱榮榮，李海鵬，葛廣躍，等.3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用術(shù)，2022，47（11）：195-199.

[3]陶永亮，楊建京.高分子材料3D打印應(yīng)用與案例[J].橡塑技術(shù)與裝備，2024，50（2）：35-41.

[4]王萌萌，趙蒙，王永信，等.成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜塑件的隨形冷卻水道研究[J].模具工業(yè)，2020，46（5）：24-28.

[5]吳坤生.基于3D打印的隨形冷卻水路注塑模具設(shè)計[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（39）：234-236.

[6]苑愛峰.注塑模具的隨形冷卻水道設(shè)計與應(yīng)用研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2021.

作者簡介：

黃奇，男，1973年生，工程師，研究方向?yàn)槌擞密?、客車、貨車、專用車等車型的整車研發(fā)、汽車技術(shù)研究和應(yīng)用等。

姜旭（通訊作者），男，1983年生，正高級工程師，研究方向?yàn)檐囕v檢測與認(rèn)證、體系認(rèn)證、綠色制造等。