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塑料模具 |
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随形冷却和SLM技术在注塑模具中的应用 |
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作者：INglass & HRS 英格斯模具公司 杨欢 来源：PT现代塑料 |
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在注塑过程中，冷却过程对于成型质量起着非常重要的作用，因为它会直接影响到注塑的生产效率及注塑制品的内在性能和表观质量。优良的冷却系统能够显著降低冷却时间，缩短注塑循环周期，减小制品残余热应力及翘曲变形，并增强制品的力学性能及内部、表面质量等。注塑制品如果冷却不均匀，会产生热残余应力，从而对注塑制品的形状、尺寸和使用性能等带来严重影响。研究测试表明，注塑件的热残余应力比流动残余应力至少大一个数量级，因此在注塑成型过程中，应主要考虑热残余应力的影响因素。当粘弹性聚合物熔体在模具内冷却到低于玻璃化转变温度时，不均匀的密度变化和不均匀的温度变化都会形成热残余应力。在注塑过程中，热残余应力容易在以下2个阶段产生：一是注塑制品在型腔中的冷却阶段，二是注塑制品从脱模温度冷却到室温的阶段。因此，要做到高效率生产，并获得性能优良的注塑制品，必须对模具进行温度调节。
在注塑模具中，模具的冷却效果关系到生产效率的高低和最终注塑制品的质量优劣，因此其冷却系统的设计是模具设计过程中需要考虑的关键问题之一。但是，由于现阶段模具制造手段有限，并且缺乏合适的冷却水道设计理论，使得冷却水路的设计和制造只能局限于相对简单的结构形式下。尽管如此，模具设计师们仍始终致力于提高冷却系统的冷却效率，提出了螺旋式、隔板点冷式及螺旋塞式等不同的水路形式，以使前后模能够得到均匀而有效的冷却。但是，在对那些结构复杂且质量要求高的产品进行模具设计时，上述方法并不完全有效。为了解决这一问题，随形冷却技术应运而生。
随形冷却，是指冷却水路随着模腔表面几何形状的变化而变化。内置随形冷却水路模具制造技术的出现，不仅为模具设计师们提供了更大的模具设计空间，而且能简化冷却水路的设计方法。众所周知，在一般的注塑过程中，需要经过一定的时间才能使模具达到稳定的生产状态，这是因为当熔融的塑料注入模具后，注塑模具与熔融塑料在接触面之间发生热量传递，同时，模具通过自身向冷却水路进行热脉冲传导。于是，模具温度上升，同时将热量传入冷却液。如果冷却水路离模具表面有较长的距离，连续的热脉冲就会使模具的温度持续升高，直到冷却系统带走的脉冲热量和熔融塑料带给模具的脉冲热量达到平衡。如果冷却水路距模具表面较近，则模具中积累的热量就会大大减少，且热量被限制在冷却水道与模具表面之间的区域，使得从模具型腔表面向冷却水路传导热量的路径也缩短很多。这样，在一个注塑周期内，模具就能达到稳定的工作状态。
对于随形冷却水路的制造工艺，现在常采用选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔结（SLM）技术。
所谓“激光烧结”，就是运用激光对金属粉末进行熔化和凝结，通过控制激光的加工路径，进行一层接一层的熔结，最终形成所需形状的产品。
图1 选择性激光熔结
对比SLS和SLM，尽管它们的原理都是通过激光工艺加工金属粉末，来制造任何所需结构的产品，但两者在产品性能方面却有很大的区别。由SLS技术加工出的产品有较大的空隙和较低的机械加工性能，而采用SLM技术制造的产品，可以达到正常金属的99.5%的密度和机加工强度，即通过SLM技术制造的产品，可以对其进行任何机械加工。
图2 SLM技术的基本原理
图3 通过SLM（上）与SLS（下）制造的产品的微观结构对比
图4 在模坯基础上进行后续加工制作
图5 通过SLM技术制造完整的单个产品
通过采用SLM技术，既可以制造完整的单个产品，也可以在模坯基础上进行后续加工制作。
图6 整个SLM镶件的成品展示
针对SLM产品的制造，INGLASS公司可为客户提供相关的增值技术服务，即通过一系列的分析和设计，最终制造出具有完美的内置随形冷却水路的产品，其具体过程是：首先，在前期对冷却进行模流分析；接着，针对难以冷却的热点，进行随形冷却水路的设计；然后，对随形冷水路进行流动动力学分析；最终，确定其最有效的水路结构，并应用SLM技术进行加工。
图7 在金属件基础上加工SLM镶件
总之，SLM技术和随形冷却技术在注塑模具中的应用，在改善模具冷却效率、缩短成型周期以及提高塑料制品品质方面，具有显著的优势。运用SLM技术制造的随形冷却水路，使模具的冷却不再是难题。(end)
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(9/17/2009) |
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