一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法技术

本发明专利技术公开了一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法；首先设计具有自支撑结构随形冷却水路的三维模型，该水路靠近模具表面呈螺旋状随形分布，水路内部设计网格支撑结构，支撑结构与水路内壁紧密贴合，为水路成型过程提供支撑，同时保证冷却水路的有效水流量。模具底部与注塑机装配部分使用金刚石网格结构，实现网格化减材。然后，将模型数据导入金属3D打印设备；最后选择合适材料，采用优化参数进行3D打印成型模具。这种内部带支撑结构的随形冷却水路，能够保证水路的结构强度，有效避免在成型过程中的结构坍塌，从而突破冷却水路最大可成型尺寸限制。进而实现模具的快速、高效和高质量冷却，提高生产效率和经济效益。益。益。

【技术实现步骤摘要】
一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法


[0001]本专利技术涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法。

技术介绍

[0002]随着人们的生活需求水平不断提高，对注塑产品的形状复杂程度要求也逐渐增加。在实际的注塑生产过程中，喷流式、挡流板阵列、衬套式、隔板等传统冷却水路通常是直线分布。
[0003]对于形状复杂的注塑模具不仅容易因冷却水路与型腔表面距离不一致，导致注塑件出现翘曲变形等缺陷，而且降低了对注塑件的冷却效率，使得生产效率较低。相对于传统冷却水路，随形冷却水路具有设计自由的特点，水路的形状能随注塑件的形状特征设计成曲线，从而控制水路与型腔表面距离的距离，实现塑件均匀有效冷却。
[0004]然而，传统方法制备的冷却模具，其冷却水路一般采用钻孔的机械制造方法，难以在模具内部制备弯曲复杂的随形冷却水路。
[0005]随着金属3D打印技术的成熟发展，该技术为随形冷却模具复杂的内部水道的制造提供了新的方法。金属3D打印是利用高能量激光束产生高温将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化，由下而上逐层打印实体零件的一种增材制造方法。
[0006]相对于传统切削加工方法，它具有提高小批量零件生产效率、缩短加工时间、减少材料浪费、节约加工成本和个性化定制等优点，在航天航空、医学、汽车、模具、珠宝首饰等领域得到广泛的应用。
[0007]将金属3D打印的优势应用于模具设计中，不仅能成型复杂几何形状的模具，还能够缩短模具成型工序和周期。
[0008]但是由于金属3D打印过程中，高能量密度激光使材料瞬时熔化，并在激光离开时快速凝固，冷却速率可高达106‑
108K/s。
[0009]金属3D打印成型过程中容易产生较大的内应力，导致结构变形、坍塌、开裂等缺陷。因此，对于悬垂结构，在金属3D打印成型时，通常需要添加支撑结构，以确保成型的顺利进行。
[0010]在随形冷却模具中，冷却水道的上壁就是典型的悬垂结构；受较大应力的影响，当水道孔径较大时，其顶部悬垂结构在应力作用下，容易出现边缘坍塌、卷曲等缺陷，导致几何特征成型失败。
[0011]在未加支撑的情况下，金属3D打印成型模具时，能够顺利成型的最大水道直接为8
‑
10mm，为了保证可靠性和成功率，工业应用中通常设计最大孔径为8mm，这在一定程度上限制了随形冷却水路的冷却效率。尤其是面向汽车领域的大型随形冷却模具，其冷却质量和经济效益也会明显降低。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于，提供一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法。解决了现有工艺复杂、冷却不均匀以及冷却效率低等不足和缺陷。
[0013]本专利技术的特点是自支撑结构以最大优化随形冷却水路的直径和增加水路的结构强度，防止随形冷却水路成型过程中出现材料坍塌。从而最大程度提升随形冷却水路的冷却效率，实现塑件均匀高效冷却，保证实际的生产效率和质量。
[0014]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0015]一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，包括如下步骤：
[0016]步骤一，设计模具：
[0017]根据塑件的三维模型，对塑件的结构、形状、装配尺寸等技术要求进行分析，确定模具类型和总体尺寸结构；
[0018]步骤二，设计随形冷却水路：
[0019]根据外形尺寸设计冷却水道分布，保证其到模具表面的距离一致，从而确保模具的均匀冷却；采用模流分析软件分析模具的冷却效果，进而优化冷却水道的分布。
[0020]步骤三，设计自支撑结构：
[0021]在冷却水道内部添加支撑结构，并获得自支撑水道随形冷却模具的三维模型，将其保存为STL文件；
[0022]步骤四，获取切片数据：
[0023]将三维模型导入切片Magics软件中，设定好打印模具的摆放位置，按照设定层厚对模具进行切片处理，获得激光扫描路径并将其导入金属3D打印设备中；
[0024]步骤五，调试金属3D打印设备：
[0025]清理金属3D打印设备的成型腔，在成型腔中安装调平好成型基板并对基板进行预热，将金属粉末材料倒入供粉缸后关闭仓门；设定金属3D打印设备的成型工艺参数，对成型腔内排气并通入高纯氮气；
[0026]步骤六，打印制造：
[0027]金属3D打印设备开始打印，刮粉刀进行铺粉，激光按照切片数据对基板上的金属粉末进行逐层扫描打印；
[0028]步骤七，每打印完一层，成型基板下降一个铺粉层厚度，重复步骤六直至自支撑流道的随形冷却模具打印成型完成。
[0029]上述步骤一中，三维模型采用UG进行绘制，并将其保存为STL文件格式；模具底部与注塑机装配部分使用单元强度较高的金刚石网格结构，实现网格化减材，并且装配孔周围和模具外壁保留一定厚度的实体，以保证模具的强度。
[0030]上述步骤二中，设计冷却水道分布，是指利用Moldflow软件对塑件进行模流分析，确定积热区域并根据其形状特征进行随形冷却水路优化设计；在 Moldflow软件中模拟注塑生产，优化得到最佳的水路结构设计后，将构建的随形冷却水路三维模型保存为STL格式。
[0031]上述步骤三中，在冷却水道内部添加支撑结构，是指在Magics软件中对随形冷却水路添加自支撑结构；
[0032]所述支撑结构的立方体结构单胞支柱与水平面呈≥45
°
倾斜角，以便支撑结构的
顺利成型；支撑结构的每个单元体由四个支柱交叉组成，同时在每个单元的交叉处设置中心球体以减少支柱交叉节点处的应力集中；支撑结构为金刚石结构、菱形结构体、八面体、十二面体等结构，在增大水路直径的情况下保证随形冷却水路的结构强度；此外，支撑结构在随形冷却水路中所占的体积和截面积均小于30％，以保证冷却液的顺利流通；同时，水路内部的支撑结构会对流体产生扰动，出现流体二次流的现象，有效地提高了水路的冷却效率。
[0033]上述步骤四中，在使用Magics软件进行切片处理时，设定切片厚度和金属3D打印设备的铺粉厚度一致，可以精准控制打印模具的层厚和设定的切片厚度相同，保证打印过程的准确性。
[0034]上述步骤五中，经过打磨和酒精清洗好的成型基板使用螺钉安装固定在成型基台上，并通过钢尺检验基板是否与成型基台保持水平，同时调整刮粉刀，使其底部与成型基板表面恰好接触；
[0035]根据打印零件的层数计算出打印所需的金属粉末量，倒入供粉缸粉末的量为打印所需的粉末两倍，以保证打印过程中粉末充足，再调整供粉缸中粉末高度使其与刮粉刀底部恰好接触；
[0036]设置基板的预热温度为160℃；预热基板可降低高温熔池与凝固区域之间的温度梯度，从而有效降低成型过程中模具的残余应力和开裂倾向，同时能显著减少缺陷含量；
[0037]金属3D打印过程中，扫描策略设置为Stripe扫描模式，Stripe宽度(L)均采用10m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，设计模具根据塑件的三维模型，对塑件的结构、形状、装配尺寸要求进行分析，确定模具类型和总体尺寸结构；步骤二，设计随形冷却水路根据塑件外形尺寸设计冷却水道分布，保证其到模具表面的距离一致，从而确保模具的均匀冷却；步骤三，设计自支撑结构在冷却水道内部添加支撑结构，并获得自支撑水道随形冷却模具的三维模型，将其保存为STL文件；步骤四，获取切片数据将三维模型导入切片Magics软件中，设定好打印模具的摆放位置，按照设定层厚对模具进行切片处理，获得激光扫描路径并将其导入金属3D打印设备中；步骤五，调试金属3D打印设备清理金属3D打印设备的成型腔，在成型腔中安装调平好成型基板并对基板进行预热，将金属粉末材料倒入供粉缸后关闭仓门；设定金属3D打印设备的成型工艺参数，对成型腔内排气并通入高纯氮气；步骤六，打印制造金属3D打印设备开始打印，刮粉刀进行铺粉，激光按照切片数据对基板上的金属粉末进行逐层扫描打印；步骤七，每打印完一层，成型基板下降一个铺粉层厚度，重复步骤六直至自支撑流道的随形冷却模具打印成型完成。2.根据权利要求1所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：步骤一中，三维模型采用UG进行绘制，并将其保存为STL文件格式。3.根据权利要求2所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：步骤二中，设计冷却水道分布，是指利用Moldflow软件对塑件进行模流分析，确定积热区域并根据其形状特征进行随形冷却水路优化设计；在Moldflow软件中模拟注塑生产，优化得到最佳水路结构设计后，将构建的随形冷却水路三维模型保存为STL格式。4.根据权利要求2所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征在于：步骤三中，在冷却水道内部添加支撑结构，是指在Magics软件中对随形冷却水路添加自支撑结构；所述支撑结构的立方体结构单胞支柱与水平面呈≥45
°
倾斜角，以便支撑结构的顺利成型；支撑结构的每个单元体由四个支柱交叉组成，同时在每个单元的交叉处设置中心球体以减少支柱交叉节点处的应力集中；5.根据权利要求4所述金属3D打印制备自支撑流道的随形冷却模具制造方法，其特征
在于：步骤四中，在使用Magics软件进行切片处理时，设定切...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭超林，黄锦辉，王迪，杨永强，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：