CN105082483A - 一种基于三维打印的模具制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，包括以下步骤：设计模具三维图形；设计模具三维图形内部的水路；判断水路是否符合三维打印的标准：如果该水路不符合三维打印标准，则需要返回设计模具三维图形内部水路的步骤，以重新设计水路；如果该水路符合三维打印的标准，则继续后续步骤；分析水路是否符合模具冷却效果：如果水路不符合模具冷却效果，则重返设计模具三维图形内部水路的步骤，如果水路符合模具冷却效果，则继续后续步骤；利用三维打印机打印模具图形，形成模具。该方法既能解决传统模具水路冷却效果不佳的设计问题，又能解决传统模具加工周期长工艺过程复杂的问题。

Description

一种基于三维打印的模具制造方法

技术领域

本发明涉及一种模具的制造方法，尤其涉及一种基于三维打印技术的模具制造方法。

背景技术

模具是指能生产出具有一定形状和尺寸要求的零件的一种生产工具。在生产、生活中，约80％的物件都是模具加工制作的，我们无时无刻不接触着模具生产的产品，可以说，模具是工业之母。

但是，大多数的注射成型模具中都有冷却水路系统，也即是水路。模具水路设计的好坏直接影响着产品品质和生产成本。现有模具水路的设计由于受加工方法的影响，只能设计出简单的水路，严重制约了水路的冷却效果。而模具的整体加工方法上，现有模具要经历一个从下料到粗精加工的较长过程，中间任何一个环节的失误都可能导致模具报废。故从整体上讲，传统模具从设计到制造上都受到较大的制约。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于三维打印的模具制造方法，其既能解决传统模具水路冷却效果不佳的设计问题，又能解决传统模具加工周期长工艺过程复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，包括以下步骤：设计模具三维图形；设计模具三维图形内部的水路；判断水路是否符合三维打印的标准：如果该水路不符合三维打印标准，则需要返回设计模具三维图形内部水路的步骤，以重新设计水路；如果该水路符合三维打印的标准，则继续后续步骤；分析水路是否符合模具冷却效果：如果水路不符合模具冷却效果，则重返设计模具三维图形内部水路的步骤，如果水路符合模具冷却效果，则继续后续步骤；利用三维打印机打印模具图形，形成模具。

作为本发明的进一步优化，判断水路是否符合三维打印的标准这一步骤中，具体判断：打印模具的外侧面与水平面之间的角度以及打印模具的水平悬空面是否符合打印标准。

作为本发明的进一步优化，当模具打印方向的外侧面为斜面时，斜面与水平面间的角度大于40度，且模具水平悬空面不大于1mm时，为符合三维打印的标准。

作为本发明的进一步优化，分析水路是否符合模具冷却效果步骤中，具体为：通过模拟熔融状态的填充物在模具三维图形的水路中流动、填充、冷却、成型，在该模拟过程中，若模拟结果达到既定要求，则符合模具冷却效果；若模拟结果无法达到既定要求，则不符合模具冷却效果。

作为本发明的进一步优化，利用三维打印机打印模具图形以形成模具这一步骤中，具体包括以下步骤：将三维模型图形转换为三角形单元图形；确定模具加工位置；确定加工位置后，将三角形单元图形处理为切层图形；将切层图形分层打印，直至打印完成，形成模具。

作为本发明的进一步优化，确定模具加工位置时，对模具图形进行摆放处理，直至确定具体的摆放位置，该摆放位置即为三维打印的加工位置。

作为本发明的进一步优化，打印完成的模具从三维打印机中取出，对模具的表面进行精加工处理。

本发明所具有的优势在于，

(1)将模具水路设计与3D打印工艺结合，根据3D打印逐层叠加、堆积成型的原理，模具水路的设计不受加工方法的制约，设计者可以发挥自己的想象，并结合分析软件设计出一个最优化的水路；

(2)模具加工从完全由传统机加工方法加工成型到先3D打印加工再到表面精加工，缩短了加工周期，减少了加工风险；

(3)通过优化模具水路的设计，提高了模具的冷却效果，达到提高生产率和获得更大经济效益的目的。

附图说明

图1为本发明中基于三维打印的模具制造方法的示意图；

图2为本发明中实施例一的示意图；

图3为本发明中实施例二的示意图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1，是本发明中基于三维打印的模具制造方法的示意图，如图所示，基于三维打印的模具制造方法，包括以下步骤：

设计三维模具图形：根据目标模具的外形以及用途，利用三维绘图软件(该三维绘图软件可为SolidWorks、三维CAD等，此处不限定)对模具的结构以及外形进行设计；

设计模具三维图形内部的水路：在上述三维绘图软件中，在上述绘制完成的模具三维图形内部设计水路的尺寸以及形状，该水路的设计要根据上述模具的大小以及该模具具体使用的场所等具体确定，在设计水路时，水路尺寸、水路条数、水路形状以及水路大小均不限定，例如，水路尺寸可为2mm-6mm不等，水路形状可为圆形截面、椭圆形截面、菱形截面、三角形截面或者其他便于冷却三维模具的形状，此处不做具体限定，水路形状的选择一般需要参考其模具大小，作为一个实施例，当水路直径为4mm时，选择圆形截面的水路，当模具尺寸较小且水路直径小于4mm时，优选非圆形截面的水路；需要说明的是，模具均有一对或者几对进水口与出水口，每对进水口与出水口之间均有一条或多条水路，水路的条数一般由冷却要求和流量要求决定，此均为本领域技术人员所能轻易想到的，因此在此不再赘述，另外，对于水路，要求其设计能对模具进行全方位的冷却，水路的各截面流量要与进出水口流量一致；

确定水路与模具体表面间距离及模具水路间距离：水路与模具体表面间距离一般在2～6mm之间，模具水路间距离一般大于2mm；

判断水路是否符合三维打印的标准：根据模具打印的摆放形式，确定水路是否符合三维打印的标准，具体为判断打印模具的外侧面与水平面之间的角度以及打印模具的水平悬空面是否符合打印标准：当打印方向的外侧面为斜面时，斜面与水平面间的角度应大于40度，水平悬空面不能大于1mm；如果该水路不符合三维打印标准，则需要返回设计三维模具图形内部水路的步骤，以重新设计水路；如果该水路符合三维打印的标准，则继续后续步骤；

分析水路是否符合模具冷却效果：在水路设计完成并且符合上述三维打印标准时，利用模流分析软件对模具内部的水路分析，该模流分析软件可为现有技术中的Moldflow、Moldex3D、PROCAST、FLOW3D等软件，在该模流分析软件中，通过模拟熔融状态的填充物在三维模具图形的水路中流动、填充、冷却、成型，在该模拟过程中，若模拟结果达到既定要求，则符合模具冷却效果；若模拟结果无法达到既定要求，则不符合模具冷却效果；其中上述所说既定要求为本领域对于本模流分析的普遍要求标准，此处不做特殊要求。此处也可同步分析整个模具的参数指标，例如模具的精度、刚度、精加工面等；如果在此处分析的水路不符合模具冷却效果，则重返设计三维模具图形内部水路的步骤，如果在此处分析的水路符合模具冷却效果，则继续后续步骤；

三维打印形成模具：在三维打印模具这一步骤中，具体包括以下步骤：

将三维模型图形转换为三角形单元图形(该三角形单元模具图形可为stl格式的图形)：在上述水路设计符合三维打印标准且符合模具冷却效果后，可将模具所有的精加工面设计加工余量，以便于后续加工；同时，为了将该模型进行三维打印，将该三维模型图形转换为三角形单元图形；

确定模具加工位置：将上述三角形单元图形导入到逆向工程软件(如Magics软件)，对模具图形进行摆放处理，直至确定具体的摆放位置，该摆放位置即为三维打印的加工位置；确定加工位置后，使用切层软件(如Zprint软件)将三角形单元图形处理为切层图形；将切层图形导入到三维加工软件(如Cura软件)，该加工软件中按照预先设定的加工程序控制三维机分层打印，直至打印完成形成模具；

将上述打印完成的模具从三维打印机中取出，对模具的表面进行精加工处理。

需要说明的是，上述三维打印机可为现有技术中任一种三维打印机，在此不再赘述。

为了进一步说明本发明，下面将具体举两个实施例进行说明：

实施例一：

1、根据模具的整体形状，选择模具水路的条数、形状与尺寸。

如图2所示，该模具形状基本为一个圆柱体，下端为一均匀圆柱体1，其中间直径为20mm；上端为一圆台体2，其上端面圆直径为13mm。

模具仅有一个进水口和一个出水口，且一条水路完全满足冷却要求及流量，故选择水路条数为一条。

根据模具外形，按常规选择其中下端进水水路3与出水水路4截面形状为圆形，直径为4mm。其中进水水路3为螺旋上升型，其目的为最大限度地起到冷却作用，出水水路4为沿中心下降，避开进水水路3，通过转弯结构5通到出水水路4。

由于模具顶端部分2较窄，为防止水流通不畅的问题，设计为异型转弯结构5，以圆锥体状与进出水水路3相接，其最大部分直径为9mm。

2、确定水路与模具体表面间距离及模具水路间距离。

经计算，设置进水水路3、出水水路4与模具体1表面距离3mm为安全距离。

进水水路3与出水水路4间最大距离为6mm，进水水路3与出水水路4间最小距离为1mm。

3、完成水路并确认水路是否合乎3D打印加工要求。

水路基本此时基本设计完成，经检查，水路孔的顶面不存在大于1mm的平面，水路中的斜面也全部小于40°

4、对水路冷却效果进行专业化分析。

使用模流分析软件对模具的冷却效果进行分析，结果表面，水路冷却时间由原先的9s降为现在的5.5s，冷却效果提升了39％。

5、确认最终水路状态。

经分析，水路冷却效果较为明显，已达到预期要求。水路设计到此结束。

本发明突破了传统水路设计的诸多限制，在设计方面，以3D打印原理为基础，通过螺旋形水路的设计方式，最大限度地提高了水路的绕行路径，并通过分析软件的配合使用，极大地提升了模具冷却效果，减少了出模时间，提高了生产效率；在制造方面，从原先的不能加工水路，到现在的螺旋形水路一步到位，提高了冷却效率，实现了功能上的突破。

实施例二：

1、根据模具的整体形状，选择模具水路的条数、形状与尺寸。

如图3所示，该模具体10为一个异型结构，整体为一个变形的长方体，长约50mm，宽约14mm；一侧有一个独立的异形凸台20，长约11mm，宽约9mm；顶部有一个腰形凸台30，其长约12mm，宽约6.5mm；进水口40和出水口50直径为6mm。

模具仅有一个进水口和一个出水口，暂时选择水路条数为一条。

根据模具外形，由于异形凸台20和腰形凸台30的尺寸较小，故按常规选择第一水路60的截面形状为圆形，直径为3mm；由于第一水路60的流量明显小于进水口40和出水口50，故增加一条第二水路70，其截面形状为圆形，直径为3mm。

2、确定水路与模具体表面间距离及模具水路间距离

经计算，设置第一水路60、第二水路70与模具体10表面距离2mm为安全距离，第一水路60与第二水路70间最大距离为6mm，最小距离为3mm。

3、完成水路并确认水路是否合乎3D打印加工要求。

水路基本此时基本设计完成，经检查，水路孔的顶面不存在大于1mm的平面，水路中的斜面也全部小于40°；

4、对水路冷却效果进行专业化分析。

使用模流分析软件对模具的冷却效果进行分析，结果表面，水路冷却时间由原先的12s降为现在的8s，冷却效果提升了33％。

5、确认最终水路状态。

经分析，水路冷却效果明显，但异形凸台20和腰形凸台30处水路并不是均匀地分布在整个空间中，且水路与模具体10表面距离略小于安全距离2mm。故将其截面形状修改为椭圆形状，整体形状为异型，既保证了均匀分布，又保证了安全距离。经软件分析后，水路冷却效果又有略微提升，达到了35％。至此水路冷却效果达到预期要求，水路设计结束。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

设计模具三维图形；

设计模具三维图形内部的水路；

判断水路是否符合三维打印的标准：如果该水路不符合三维打印标准，则需要返回设计模具三维图形内部水路的步骤，以重新设计水路；如果该水路符合三维打印的标准，则继续后续步骤；

分析水路是否符合模具冷却效果：如果水路不符合模具冷却效果，则重返设计三维模具图形内部水路的步骤，如果水路符合模具冷却效果，则继续后续步骤；

利用三维打印机打印模具图形，形成模具。

2.根据权利要求1所述基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，判断水路是否符合三维打印的标准这一步骤中，具体判断：打印模具的外侧面与水平面之间的角度以及打印模具的水平悬空面是否符合打印标准。

3.根据权利要求2所述基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，当模具打印方向的外侧面为斜面时，斜面与水平面间的角度大于40度，且水平悬空面不大于1mm时，为符合三维打印的标准。

4.根据权利要求1所述基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，分析水路是否符合模具冷却效果步骤中，具体为：通过模拟熔融状态的填充物在三维模具图形的水路中流动、填充、冷却、成型，在该模拟过程中，若模拟结果达到既定要求，则符合模具冷却效果；若模拟结果无法达到既定要求，则不符合模具冷却效果。

5.根据权利要求1所述基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，利用三维打印机打印模具图形以形成模具这一步骤中，具体包括以下步骤：将三维模型图形转换为三角形单元图形；确定模具加工位置；确定加工位置后，将三角形单元图形处理为切层图形；将切层图形分层打印，直至打印完成，形成模具。

6.根据权利要求5所述基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，确定模具加工位置时，对模具图形进行摆放处理，直至确定具体的摆放位置，该摆放位置即为三维打印的加工位置。

7.根据权利要求1-6中任一项所述基于三维打印的模具制造方法，其特征在于，打印完成的模具从三维打印机中取出，对模具的表面进行精加工处理。