CN106457392A - 具有共形加热和冷却系统的模具及其制造方法 - Google Patents

具有共形加热和冷却系统的模具及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种用于形成模具装置的方法，包括：通过增材制造方法形成腔体部分；其中，所述腔体部分包括具有大于或等于约0.025μm表面粗糙度的腔体模制表面和多个腔体流体通道；其中，所述腔体流体通道包括与所述腔体模制表面的轮廓共形的轮廓；处理所述腔体模制表面以将表面粗糙度降低到低于约0.025μm；通过增材制造形成核心部分；其中，所述核心部分包括核心模制表面和多个核心流体通道；其中，所述核心流体通道与核心模制表面共形。

Description

具有共形加热和冷却系统的模具及其制造方法
技术领域
本公开涉及具有与模制表面共形（conform）的加热和冷却系统的模具及其制造方法。具体地，本文公开了包括通过增材制造（AM，Additive Manufacturing）形成的部分和通过其他方法形成的部分的模具。该模具可用于形成具有特定表面特征的薄壁热塑性产物。
背景技术
全球塑料工业一直在寻找增加收益并降低内部生产成本的创新解决方案。为了实现该远大的目标，价值链中的多层（multiple tier）如产品设计者、设备供应商、原材料供应商、工具供应商和聚合物加工商正在创新新型技术。针对注射模制的一种这种发展是加热和冷却技术。
在每个注射模制循环中，利用加热和冷却技术，通过加压的热水在注射阶段快速加热注射模具表面并且通过流过加压冷却水在冷却阶段快速冷却注射模具表面。典型的加热和冷却模制循环包括首先在将塑料熔体注射到腔体中之前将模具加热至玻璃化转变温度（Tg）以上，然后在弹出(eject)部件之前将模具冷却至弹出温度（ejectiontemperature）（Te）以下。在每个模制循环期间重复模具表面的这种交替的加热和冷却。因此，生产过程受持续模制循环的限制。
然而，模具装置的几何因素以及流动参数对加热和冷却时间具有显著影响。例如，通过机械加工材料块(a block of material)形成的模具装置包括直线冷却/加热通道，这对于具有复杂几何形状的部件（例如，非直线部件、三维形状的部件）的最佳制造是不足够的。这是由于模具表面和冷却/加热通道之间的变化距离，该导致不均匀的温度分布和较长的模制循环。另外，在传统的机械加工过程中，直线冷却线可能远离模制表面10至15毫米（mm）。因此，可能增加加热和冷却时间，这可能增加模制循环时间并降低生产力。
增材制造（AM）是转变制造所有种类事物的方式的新型生产技术。AM由数字模型制造实际上任何形状的三维（3D）立体物体（solid object）。通常，通过利用计算机辅助设计（CAD）模型软件生成期望立体物体的数字蓝图，然后将虚拟蓝图切片成非常小的数字横截面来实现。在连续的分层过程中在AM机器中形成或沉积这些截面以生成3D物体。AM具有许多优势，包括明显减少从设计至原型至商业产品的时间。运行设计变化是可能的。可以在单一装配中建立多个部件。不需要工具。需要最少的能量来制造这些3D立体物体。其还减少了废弃物和原材料的量。AM还有助于极其复杂的几何部件的生产。由于根据需要（on-demand）并且在原位（on-site）可以迅速地制造部件，因此AM还降低了用于商业的部件库存。
可以将粉末床熔合（Powder Bed Fusion）（一类AM）用作用于生产金属和塑料部件的低成本的形成过程，和/或用于困难的几何形状的形成过程。粉末床熔合涉及基于粉末床的增材制造系统，其用于通过使用热能来选择性熔化粉末床中的区域以逐层方式由3D模型的数字图示建立三维（3D）模型。激光烧结是一种广为人知的粉末床熔合过程。将粉末床材料（由非常小的塑料或金属颗粒制成）选择性地暴露于激光束或其他聚焦热能源以在x-y平面中以一定图案将粉末床颗粒的部分熔合在一起。在暴露的颗粒熔合在一起之后，将新鲜的粉末床放置在熔合层上。然后将新的粉末床在x-y平面中暴露于激光束或其他热能源以形成新图案。熔合颗粒的该新图案也与其下面的熔合图案的部分熔合，从而沿着z轴（垂直于x-y平面）形成粘合的图案，然后重复该过程以形成如同于数字图示的3D模型。
可以将材料挤出（material extrusion）（另一类AM）用作用于生产塑料部件的低成本形成过程，和/或用于困难的几何形状的形成过程。材料挤出涉及基于挤出的增材制造系统，其用于通过挤出可流动的模型材料以逐层方式由3D模型的数字图示建立三维（3D）模型。通过挤出头（extrusion head）携带的挤出尖端（extrusion tip）挤出模型材料，并作为一系列道路（road）将其沉积在x-y平面的基板上。挤出的模型材料与之前沉积的模型材料熔合，并在温度下降时凝固。然后沿着z轴（垂直于x-y平面）增加（incremented）挤出头相对于基板的位置，然后重复该过程以形成如同数字图示的3D模型。
然而，通过增材制造方法（AM）形成的模具装置可以具有粗糙的模制表面。因而，使用该模具装置形成的模制品可能需要模制后的修整过程，这进一步增加生产时间和成本。
因此，存在对于在保持期望的表面参数的同时能够具有快速的模制循环和均匀的温度分布的模具和生产模具的方法的需要。
发明内容
本文公开了具有遵循模制表面的轮廓（产生模制表面的均匀温度分布）的共形加热/冷却设计的模具，制造其的方法，和通过其形成的产物。
用于形成模具装置的方法，包括：通过增材制造方法形成腔体部分；其中，腔体部分包括具有大于或等于约0.025μm表面粗糙度的腔体模制表面和多个腔体流体通道；其中，腔体流体通道包括与腔体模制表面的轮廓共形的轮廓；处理腔体模制表面以将表面粗糙度降低到低于约0.025μm；通过增材制造形成核心部分；其中，核心部分包括核心模制表面和多个核心流体通道；其中，核心流体通道与核心模制表面共形。
形成模具装置的方法，包括：形成包括腔体表面的腔体嵌入件，该腔体表面具有小于或等于约0.025μm的粗糙度；通过增材制造形成与腔体表面相对的腔体部分；其中，腔体部分包括多个腔体流体通道；其中，腔体流体通道包括与腔体模制表面的轮廓共形的轮廓；通过增材制造形成核心部分；其中，核心部分包括核心模制表面和多个核心流体通道；其中，核心流体通道与核心模制表面共形。
模具装置，包括：包括核心模制表面和多个核心流体通道的核心部分；其中，核心流体通道与核心模制表面的轮廓共形；包括腔体模制表面和多个腔体流体通道的腔体部分；其中，腔体流体通道与腔体表面的轮廓共形；其中，核心模制表面和腔体模制表面中的至少一个包括小于约0.025μm的粗糙度。
用于模制聚合物的方法，包括：通过使加热流体通过多个核心通道加热核心模制表面；其中，多个核心通道与核心模制表面共形；其中，核心模制表面包括小于或等于约0.025μm的粗糙度；通过使加热流体通过多个腔体通道加热腔体模制表面；其中，多个腔体通道与腔体模制表面共形；其中，腔体模制表面包括小于或等于约0.025μm的粗糙度；在核心部分和腔体部分之间注入聚合物材料；施加压力至聚合物材料以形成聚合物产物；通过使冷却流体通过多个核心流体通道和腔体通道冷却核心模制表面和腔体模制表面；弹出聚合物产物。
通过以下附图和详细描述举例说明了以上所描述的及其他特征。
附图说明
现在参考附图，其是示例性实施方式，并且其中相同的元件标号相同。
图1是通过非增材制造技术（non-additive manufacturing technique）形成的模制装置的截面俯视图。
图2是通过本文公开的方法形成的模制装置的截面俯视图。
图3是通过本文公开的方法形成的模制装置的截面俯视图。
图4A和图4B是通过本文公开的方法形成的模具装置的平面图。
图5是描绘了用于形成图2的模具的方法的流程图。
图6是描绘了用于形成图3的模具的方法的流程图。
图7A和图7B是用于手机壳（cell phone cover）的腔体和核心模具部分的计算机辅助设计（CAD）。
图8A和图8B分别是在图7A和图8的腔体和核心模具部分中使用的流体通道的计算机辅助设计（CAD）。
图9是通常的汽车灯光反射镜部件的前侧的图示。
图10是图9的通常的汽车灯光反射镜部件的背侧的图示。
图11是在模具的腔体和核心部分中具有共形冷却线的腔体和核心模制装置中的图9和10的通常的汽车灯光反射镜部件的分解图的图示。
图12是具有结合在其中的上和下共形冷却设计的图11中所示的模具的腔体部分的截面图的图示。
图13是用于图11中所示的模具的腔体部分的上和下共形冷却设计的侧视图的图示。
图14是具有结合在其中的共形冷却设计的图11中所示的模具的核心部分的截面图的图示。
具体实施方式
本文公开了包括与模制表面共形的加热和冷却系统的模具和生产该模具的方法。本文公开的模具能够快速且均匀地加热和冷却并形成满足严格的表面质量要求的部件。据信通过生产具有共形的加热/冷却（流体）通道的腔体和核心部分并包括满足特定的表面粗糙度要求的腔体和/或核心表面可以实现本文得到的有利结果，例如能够具有快速的模制循环和均匀的温度分布的模制装置。
通过多个过程可以形成模具部分。例如，通过增材制造可以形成模具的部分，以及通过机械加工过程可以形成模具的其他部分。腔体部分可以包括嵌入件（insert），该嵌入件包括通过机械加工过程如通过计算机数字控制（CNC）机器的使用形成的模制表面。嵌入件可以具有约1至约7毫米（mm）的厚度。嵌入件可以具有约3至约5mm的厚度。腔体部分可以包括与腔体模制表面共形并通过增材制造方法形成的冷却/加热（流体）通道。腔体部分可以包括通过增材制造形成的并处理以降低表面粗糙度的表面。处理可以包括机械加工、抛光、化学处理、镀铬、镀镍、通过金刚石膏蓬松（puffing）和抛光、超精细加工（superfinishing）、研磨（lapping）和包括上述中的至少一种的组合。
核心部分可以包括嵌入件，该嵌入件包括通过机械加工过程如通过使用计算机数字控制（CNC）机器形成的模制表面。嵌入件可以具有约1至约7毫米（mm）的厚度。嵌入件可以具有约3至约5mm的厚度。核心部分可以包括与核心模制表面共形的并通过增材制造方法形成的冷却/加热（流体）通道。核心部分可以包括通过增材制造形成的核心表面。可以处理核心表面以降低表面粗糙度。处理可以包括机械加工、抛光、化学处理、镀铬、镀镍、通过金刚石膏蓬松和抛光、超精细加工、研磨和包括上述中的至少一种的组合。
本文所使用的“与模制表面共形”是指通道可以位于离开模制表面的预定距离处，其可以在模制表面上变化小于5%。例如，可以将通道设置在离开模制表面约3至约5毫米（mm）距离处，且该距离在模制表面上可以保持相同。因此，通道可以是非线性的或三维的以与弯曲或成角度的模制表面共形。通道可以位于离开模制表面的预定距离处，其可以在模制表面上变化小于3%。通道可以位于离开模制表面的预定距离处，其可以在模制表面上变化小于1%。
腔体和核心部分的模具表面可以包括具有低表面粗糙度的表面纹理。例如，腔体表面可以包括具有小于或等于0.025μm的平均粗糙度（Ra）的表面纹理。腔体表面可以包括具有约0.012至约0.025μm的平均粗糙度（Ra）的表面纹理。使用标准表面轮廓分析仪器（standard surface profiling instrument）如Mitutoyo SJ210表面粗糙度测试仪测量Ra。按照ASME B46.1(2002)中陈述的流程来配置仪器并测量Ra。
可以将粉末床熔合和材料挤出部件用于形成用于制造用于包括手机壳和类似的薄壁组件的各种有用的产品的热塑性部件的模具的部分。术语“粉末床熔合（powder bedfusion）”涉及根据计算机控制路径通过将粉末床的区域选择性加热至床中邻近的颗粒一起，从而逐层建立部件或制品。粉末床熔合可以利用具有或不具有支撑材料的模型材料（modeling material）。模型材料包括完成的部件，并且支撑材料包括当加工完成时可以机械移开的支架。该过程包括在底座沿着Z轴向下移动并且下一层开始之前沉积材料以完成每层。例如，粉末床材料可以由金属或塑料颗粒制成。粉末床熔合包括通过ASTM F2792-12a定义的激光烧结、激光熔合、激光金属沉积以及其他粉末床熔合技术。
术语“材料挤出（material extrusion）”涉及通过根据计算机控制路径将热塑性材料加热至半液态并将其挤出，从而逐层建立部件或制品。材料挤出可以利用具有或不具有支撑材料的模型材料。模型材料包括完成的部件，并且支撑材料包括加工完成时可以机械移开、冲洗掉或溶解的支架。该过程包括在底座沿着Z轴向下移动并且下一层开始之前沉积材料以完成每个层。例如，可以通过放置从线圈退绕（unwind）或从挤出机头沉积的塑料细丝或粒料的细绳（string）制成挤出材料。这些单丝增材制造技术包括通过ASTM F2792-12a定义的熔融沉积模型化和熔融细丝制造以及其他材料挤出技术。
模制的材料可以由热塑性材料制成。这些材料可以包括聚碳酸酯（PC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、丙烯酸橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯（EVA）、乙烯乙烯醇（EVOH）、液晶聚合物（LCP）、甲基丙烯酸酯苯乙烯丁二烯（MBS）、聚缩醛（POM或缩醛）、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯（还共同称作丙烯酸类化合物）、聚丙烯腈（PAN）、聚酰胺（PA，也称作尼龙）、聚酰胺-酰亚胺（PAI）、聚芳醚酮（PAEK）、聚丁二烯（PBD）、聚丁烯（PB）、聚酯如聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚己酸内酯（PCL）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)、聚对苯二甲酸亚环己基二亚甲基酯（PCT）、和聚羟基烷酸酯（PHA）、聚酮（PK）、聚烯烃如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）、氟代聚烯烃如聚四氟乙烯（PTFE）聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚砜（PES）、聚砜、聚酰亚胺（PI）、聚乳酸（PLA）、聚甲基戊烯（PMP）、聚苯醚（PPO）、聚苯硫醚（PPS）、聚苯二甲酰胺（PPA）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚砜（PSU）、聚苯砜、聚对苯二甲酸三亚甲基酯（PTT）、聚氨酯（PU）、苯乙烯-丙烯腈（SAN）、或包含上述中的至少一种的任何组合。特别值得注意的是与ABS、SAN、PBT、PET、PCT、PEI、PTFE或它们的组合的聚碳酸酯共混物实现了期望的性质如熔体流动性、耐冲击性和耐化学性的平衡。基于单丝的重量，这些其他热塑性材料的量可以是0.1%至70wt.%，在其他情况下是1.0%至50wt.%，以及在其他的情况下是5%至30wt%。
聚合物材料可以包含填料或增强材料。如本文所使用的，增强材料可以包括由芳族聚酰胺（aramid）、碳、玄武岩、玻璃、塑料、金属（例如钢、铝、镁）、石英、硼、纤维素、液晶聚合物、高韧性聚合物（例如聚丙烯、聚乙烯、聚(己-6-内酰胺)、聚[亚氨基(1,6-二氧基六亚甲基)亚氨基六亚甲基]（poly[imino(1,6-dioxohexamethylene)imnohexamethylene））、热塑性聚合物纤维、热固性聚合物纤维、或天然纤维、以及包含上述中的至少一种的组合形成的纤维（连续的、短切的、编织的，等等）。示例性的纤维填充的树脂是STAMAXTM树脂，其是长玻璃纤维填充的聚丙烯树脂，也可以商购自SABIC Innovative Plastics。另一种示例性的纤维材料可以包括长纤维增强的热塑性塑料（VERTONTM树脂，可以商购自SABIC InnovativePlastics）。
聚合物材料可以包含约10至90wt.%的纤维和90至10wt.%的聚合物材料。纤维聚合物材料可以包含约25至75wt.%的纤维和75至25wt.%的聚合物材料。使用的纤维可以包括长纤维，例如具有大于或等于约10的长径比（长度/直径）的纤维。纤维可以包括大于或等于约50的长径比。纤维可以包括约50至约500的长径比。纤维可以包括约80至约400的长径比。例如，长纤维的直径可以在5至35微米（μm）的范围内。长纤维的直径可以是约10至约20μm。纤维可以具有例如大于或等于约0.4mm的长度。纤维可以包括大于或等于约1mm的长度。纤维可以包括大于或等于约2mm的长度。
通过参考附图可以得到对在本文中公开的组分、方法、和装置的更加完全的理解。基于方便和容易地证实本公开，这些附图（在本文中还被称为“图”）仅仅是实例性说明，并且因此不旨在表示它们的设备或组件的相对大小和尺寸，和/或限定或限制示例性实施方式的范围。尽管为了清楚起见，在以下描述中使用了专业术语，但是这些术语旨在仅参照所选择用于附图中的示意说明的实施方式的特定结构，并且不旨在限定或限制公开的范围。以下在附图及随后描述中，应理解的是，相同的数字标识指的是相同功能的组件。
图1示出了通过CNC机械加工过程形成的现有技术的模具装置1。如图1所示，模具装置1包括腔体部分10和核心部分20。腔体部分10包括用于加热和冷却腔体模具表面12的流体通道2。核心部分20包括用于加热和冷却核心模具表面22的流体通道3。如图1所示，流体通道2和3是直的且不与腔体模具表面12或核心模具表面22共形。由于CNC机械加工过程的限制，流体通道不能与复杂的（例如弯曲、多角、三维形状等）模具表面共形。因此，模制表面和流体通道之间的距离可以显著变化。由于这种变化，实现均匀的模具表面温度是困难的、耗时的、和低效率的。
图2示出包括腔体部分110和核心部分120的模具装置100。腔体部分100可以包括腔体模具表面112和流体通道102。如图2和3所示，流体通道102与腔体模具表面112共形。换句话说，由D1表示的腔体模具表面112和流体通道102之间的距离可以在腔体表面112上的任何点处变化小于5%。由D1表示的腔体模具表面112和流体通道102之间的距离可以在腔体模具表面112上的任何点处变化小于3%。由D1表示的腔体模具表面112和流体通道102之间的距离可以在腔体模具表面112上的任何点处变化小于1%。
核心部分120可以包括核心模具表面122和流体通道103。如图2和3所示，流体通道103可以与核心模具表面122共形。换句话说，由D2表示的核心模具表面122和流体通道103之间的距离可以在核心表面122上的任何点处变化小于5%。由D2表示的核心模具表面122和流体通道103之间的距离可以在核心模具表面122上的任何点处变化小于3%。由D2表示的核心模具表面122和流体通道103之间的距离可以在核心模具表面122上的任何点处变化小于1%。
腔体模具表面112和核心模具表面122可以提供均匀的温度曲线（temperatureprofile）。例如，腔体模具表面112可以具有在核心模具表面112上的任何点处变化小于或等于约3%的表面温度。腔体模具表面112可以具有在腔体模具表面112上的任何点处变化小于或等于约1%的表面温度。另外，核心模具表面122可以包括可以在核心模具表面122的任何点处变化小于或等于约3%的表面温度。核心模具表面122可以包括可以在核心模具表面122上的任何点处变化小于或等于约1%的表面温度。
图3示出了图2的替代方案，其中腔体嵌入件111包括腔体模具表面112。另外，核心嵌入件121可以包括核心表面122。腔体嵌入件111和核心嵌入件121可以包含与腔体部分110和核心部分120相同材料。在替换方式中，腔体嵌入件111和/或核心嵌入件121可以包括与腔体部分110和/或核心部分120不同的材料。
腔体模具表面112可以包括0.012至0.025μm的平均表面粗糙度。核心模具表面可以包括0.012至0.025μm的平均表面粗糙度。
图4A和图4B示出了用于模制热塑性制品如手机壳（cover，盖）的腔体模具部分110和腔体模具部分120的平面图。制品可以包括薄壁结构。例如，制品可以包括厚度小于或等于约1mm的壁。制品可以包括厚度小于或等于约0.8mm的壁。如图4A和图4B所示，流体通道102、103与模具的轮廓（截面形状）共形。换句话说，腔体模具表面112和通道102、以及核心模具表面122和流体通道103之间保持一致的距离。
图5示出了用于制造图2的模具的过程。在步骤200中通过增材制造方法可以形成包括流体通道102和腔体模具表面112的腔体部分110。在步骤210中通过增材制造方法可以形成包括流体通道103和核心模具表面122的核心模具部分120。在步骤220中可以表面处理腔体模具表面112以将平均表面粗糙度降低到特定值。例如，可以通过以下各项中的一种或多种处理腔体模具表面112：机械加工、激光抛光、化学处理、镀铬、镀镍、通过金刚石膏蓬松（puffing）和抛光、超精细加工（super finishing）、研磨（lapping）、和包括上述中的至少一种的组合。可选地，在步骤230中，可以表面处理核心模具表面122以将平均表面粗糙度降低到特定值。例如，可以通过以下各项中的一种或多种处理核心模具表面122：机械加工、激光抛光、化学处理、镀铬、镀镍、通过金刚石膏蓬松和抛光、超精细加工、研磨、和包括上述中的至少一种的组合。
图6示出了用于制造模具装置的过程。如图6所示，在步骤300中通过增材制造方法形成包括流体通道102的腔体模具部分110。在步骤310中可以通过另一过程预制包括腔体模具表面112的腔体嵌入件111并将其结合到腔体部分110。在步骤320中通过增材制造方法形成包括流体通道103的核心模具部分120。可选地，核心模具部分120可以包括核心模具表面122。在替换方案中，在步骤330中可以通过不同的过程预制核心嵌入件121并将其结合到核心部分120。
实施例
实施例1：
如图7A和图7B所示，使用用于由Lexan HF 1110R制造的典型手机壳工具的腔体和核心的计算机辅助设计（CAD）模型运行计算机模似。工具的不同组件和包括导热性数据的它们的材料性质列于表1中。
图8A和图8B示出了嵌入在用于典型的手机设备壳工具的腔体和核心内的流体通道的3D CAD模型。在这两种装配中，存在在沿着它们的宽度认为的中间部分周围分隔的两个不同的热和冷回路的环。另外，在用于腔体侧的回路环中，流体入口和出口沿着相同平面对齐，这与核心不同，其中将它们彼此垂直设置。以下阐述的是连接件的一些实施方式和制造本文公开的连接件的方法。
在共形的热和冷模制过程的每个循环期间，将在热和冷回路内流动的介质的操作条件保持恒定且细节列于表2中。
尽管在标准温度和压力（STP）下水的沸点是100℃，但是在热循环期间，在其在125℃下进入回路时，仍保持液态。通过将水的入口压力保持在2.3巴使这成为可能，与在STP下1巴的大气压相比2.3巴是较高的值。目的是将模具核心和腔体的表面温度保持在其制造的聚合物的玻璃化转变温度之上，从而减少模制的塑料部件上的审美缺陷。类似地，在冷循环期间，将水的入口温度保持在75℃。进行其以确保在冷循环结束时有待弹出（eject）的塑料部件保持在其制造的聚合物的固化温度以下，从而减少由于翘曲导致的缺陷。最终，将热和冷循环两者期间的流体的流动速率保持在7升/分钟。在开始热和冷循环之前，将腔体和核心的初始温度保持在25℃。
在模具热循环期间，允许将125℃保持在2.3巴压力下的热水，以7升/分钟的流动速率流动穿过共形的热和冷回路。继续该热循环直到模具的腔体和核心侧界面的表面温度达到等于或非常接近125℃的热流体温度的平衡温度。已经发现对于目前的构造，对于模具需要消耗12秒来达到热平衡温度。
可以观察到在12秒时，腔体核心模具界面温度已经达到它的平衡且它的分布是均匀的。在开始热循环之后约12秒，达到热平衡温度。
一旦核心和腔体模具表面温度达到加工的聚合物材料的玻璃化转变温度以上，则将聚合物熔体注射到腔体轮廓中。在这种壳体研究中，在核心和腔体模具表面温度达到125℃之后12至13秒，注射熔体。在聚合物熔体注射循环期间，将热水循环保持在125℃。这确保核心和腔体模具表面温度保持在玻璃化转变温度以上，并帮助改善了表面美观以及减少了模具缺陷如焊接线、流痕（flow mark）等。可以观察到腔体和核心模具表面之间注射的聚合物熔体保持在300℃，在热和冷回路内流动的水保持在125℃。
完成聚合物熔体注射并填充（pack）在手机壳模具内之后，通过循环75℃和7升/分钟的流动速率的水通过相同的共形热和冷回路冷却核心和腔体模具表面。在实验设施中，通过在设备内建立的阀站控制系统（valve station control system）实现热至冷模式的转换。已经发现对于目前的构造，模具消耗7秒来达到冷平衡温度。可以观察到在第20秒，腔体和核心模具表面温度已经达到其均匀的冷平衡温度。类似地，在聚合物熔体注射循环结束后约7秒，达到冷平衡温度。
图9-14示出了本发明的另一个具体的实施例。图9和10示出可以在具有结合到模具的腔体和核心部分中的共形冷却设计的腔体和核心类模具中模制的通常的塑料汽车灯光反射镜（automotive lighting reflector）2000的前侧和背侧的图示。使用以上所描述的增材制造技术可以将这些共形冷却设计结合到模具部分中。完成模制之后，可以在使用常规的涂覆技术将高反光表面涂覆到内表面2001上之前，处理通用塑料汽车灯光反射镜2000的前侧的内表面2001以降低平均表面粗糙度（即，形成前文描述的光滑表面）。
图11是具有结合到制成通用塑料汽车灯光反射镜2000的腔体和核心部分中的共形冷却设计的腔体和核心模具的分解图的图示。在图11中，用2002表示模具的腔体部分并且用2004表示模具的核心部分。腔体部分具有结合在其中的上共形冷却设计2006和下共形冷却设计2008。这些共形冷却设计2006和2008是通过增材制造技术制成的并一起形成螺旋设计。图13提供了这些上共形冷却设计2006和下共形冷却设计2008的侧视图。核心部分还具有结合在其中的共形冷却设计2010。该共形冷却设计2010也是通过增材制造技术制造的并形成螺旋设计。腔体2002和核心2004内的这些螺旋共形冷却设计2006、2008和2010提供许多优点。这些包括保持均匀的温度分布，提供更好的模制件2000的尺寸稳定性，通过减少模制循环时间提供更高的生产力，和提供非常快速的模制表面的加热和冷却。
图12是图11所示的模具的腔体部分的截面图的图示。在该截面图中，示出了作为冷却孔2012示出的螺旋形共形冷却线路在腔体部分上如通过它们之间的箭头所示围绕模制表面2014大致相等的距离。在一个实施方式中，这些共形冷却孔2012和腔体模制表面之间的距离可以在4至6mm的范围内，并且每个共形冷却孔或线路之间的距离可以是4至6mm，且这些共形冷却孔或线路的直径可以是3至5mm。
图14是图11所示的模具的核心部分的截面图的图示。在该截面图中，示出作为冷却孔2016示出的螺旋形共形冷却线路在核心部分上如通过它们之间的箭头所示围绕模制表面2018大致相等的距离。在一个实施方式中，这些共形冷却孔2016和核心模制表面之间的距离可以在4至6mm的范围内，并且每个共形冷却孔或线路之间的距离可以是4至6mm，且这些共形冷却孔或线路的直径可以是3至5mm。
还可以通过进一步具体的实施方式描述本发明。
实施方式1：一种用于形成模具装置的方法，包括：通过增材制造方法形成腔体部分；其中，腔体部分包括具有大于或等于约0.025μm表面粗糙度的腔体模制表面(cavitymolding surface)和多个腔体流体通道；其中，腔体流体通道包括与腔体模制表面的轮廓共形的轮廓；处理腔体模制表面以将表面粗糙度降低到低于约0.025μm；通过增材制造形成核心部分；其中，核心部分包括核心模制表面(core molding surface)和多个核心流体通道；其中，核心流体通道与核心模制表面共形。
实施方式2：根据实施方式1的方法，其中，处理腔体模制表面包括机械加工模制表面。
实施方式3：根据实施方式1或2的方法，进一步包括处理核心模制表面以将表面粗糙度降低到小于或等于约0.025μm。
实施方式4：根据实施方式3的方法，其中，核心模制表面包括机械加工核心部分的模制表面。
实施方式5：根据实施方式1-4中任一项的方法，其中，多个腔体流体通道和核心流体通道中的至少一部分是非线性的（non-linear）。
实施方式6：根据实施方式1-5中任一项的方法，其中，增材制造方法包括激光烧结、激光熔合、激光金属沉积。
实施方式7：根据实施方式1-6中任一项的方法，其中，核心模具表面（core moldsurface）和核心流体通道之间的距离在核心模具表面上变化小于3%。
实施方式8：根据实施方式1-7中任一项的方法，其中，腔体模具表面(cavity moldsurface)和腔体流体通道之间的距离在腔体模具表面上变化小于3%。
实施方式9：根据实施方式1-8中任一项的方法，其中，核心和腔体部分包括钢、硬化钢、预硬化钢、热加工钢(hot work steel)、不锈热加工钢(stainless hot worksteel)、和包含上述中的至少一种的组合。
实施方式10：一种形成模具装置的方法，包括：形成包括腔体表面的腔体嵌入件，该腔体表面具有小于或等于约0.025μm的粗糙度；通过增材制造形成与腔体表面相对的腔体部分；其中，腔体部分包括多个腔体流体通道；其中，腔体流体通道包括与腔体模制表面的轮廓共形的轮廓；通过增材制造形成核心部分；其中，核心部分包括核心模制表面和多个核心流体通道；其中，核心流体通道与核心模制表面共形。
实施方式11：根据实施方式10的方法，其中，处理腔体模制表面包括机械加工模制表面。
实施方式12：根据实施方式10或11的方法，进一步包括处理核心模制表面以将表面粗糙度降低到小于或等于约0.025μm。
实施方式13：根据实施方式12的方法，其中，核心模制表面包括机械加工核心部分的模制表面。
实施方式14：根据实施方式10-13中任一项的方法，其中，多个腔体流体通道和核心流体通道中的至少一部分是非线性的。
实施方式15：根据实施方式10-14中任一项的方法，其中，增材制造方法包括激光烧结、激光熔合、激光金属沉积。
实施方式16：根据实施方式10-15中任一项的方法，其中，核心模具表面和核心流体通道之间的距离在核心模具表面上变化小于3%。
实施方式17：根据实施方式10-16中任一项的方法，其中，腔体模具表面和腔体流体通道之间的距离在腔体模具表面上变化小于3%。
实施方式18：根据实施方式10-17中任一项的方法，其中，核心部分和腔体部分包括钢、硬化钢、预硬化钢、热加工钢、不锈热加工钢、和包含上述中的至少一种的组合。
实施方式19：一种通过实施方式1-18中任一项的方法制造的模具装置。
实施方式20：一种模具装置，包括：包含核心模制表面和多个核心流体通道的核心部分；其中，核心流体通道与核心模制表面的轮廓共形；包含腔体模制表面和多个腔体流体通道的腔体部分；其中，腔体流体通道与腔体表面的轮廓共形；其中，核心模制表面和腔体模制表面中的至少一个包括小于约0.025μm的粗糙度。
实施方式21：根据实施方式20的模具装置，其中，核心表面和腔体表面包含金属材料。
实施方式22：根据实施方式20或21的模具装置，其中，核心流体通道和腔体流体通道中的至少一部分是非线性的。
实施方式23：根据实施方式20-22中任一项的模具装置，其中，核心模具表面和核心流体通道之间的距离在核心模具表面上变化小于3%。
实施方式24：根据实施方式20-23中任一项的模具装置，其中，腔体模具表面和腔体流体通道之间的距离在腔体模具表面上变化小于3%。
实施方式25：一种用于模制聚合物的方法，包括：通过使加热流体通过多个核心通道来加热核心模制表面；其中，多个核心通道与核心模制表面共形；其中，核心模制表面包括小于或等于约0.025μm的粗糙度；通过使加热流体通过多个腔体通道来加热腔体模制表面；其中，多个腔体通道与腔体模制表面共形；其中，腔体模制表面包括小于或等于约0.025μm的粗糙度；在核心部分和腔体部分之间注入聚合物材料；施加压力至聚合物材料以形成聚合物产物；通过使冷却流体通过多个核心流体通道和腔体通道来冷却核心模制表面和腔体模制表面；弹出（eject）聚合物产物。
实施方式26：根据实施方式25的方法，其中，加热核心模制表面和腔体模制表面包括使加压的液体水通过通道。
实施方式27：根据实施方式25或26的方法，其中，冷却核心模制表面和腔体模制表面包括使液体水通过通道。
实施方式28：根据实施方式25-27中任一项的方法，其中，腔体模具表面和腔体流体通道之间的距离在腔体模具表面上变化小于3%。
实施方式29：根据实施方式25-28中任一项的方法，其中，核心模具表面和核心流体通道之间的距离在核心模具表面上变化小于3%。
实施方式30：通过实施方式25-29的方法制造的热塑性制品。
本发明可以可替代地包括任何在本文中公开的适当的组分、由其组成、或基本上由其组成。本发明可以另外地、或可替代地配制以不含或者基本上不含在现有技术的组合物中使用的或者不是实现本发明的功能和/或目的所必需的任何组分、材料、成分、辅剂或物质。
在本文中所公开的全部范围包括端点，并且端点可独立地彼此组合（例如，“最高达25wt.%，或者更加具体地，5wt.%至20wt.%”的范围包括“5wt.%至25wt.%”的范围的端点以及所有中间值，等等）。“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。此外，本文中的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素和另一个要素区别开。本文中术语“一个”、“一种”以及“该”不表示数量限制，而是解释为涵盖单数和复数两者，除非本文中另有陈述或与上下文明显矛盾。如在本文中使用的后缀“（s）”旨在包括其修饰的术语的单数和复数两者，因此包括该术语的一种或多种（例如，薄膜（film(s)）包括一种或多种薄膜）。贯穿说明书提及“一个实施方式”、“另一个实施方式”、“实施方式”等是指结合实施方式描述的特定的元件（例如，性质、结构、和/或特征）包含在本文中所描述的至少一个实施方式中，并且可以存在或不存在于其它实施方式中。另外，应理解所描述的元素可以以任何合适的方式组合在各种实施方式中。
虽然已经描述了特定的实施方式，但是申请人或本领域的技术人员可以想到目前未预见的或可能未预见的替换物、修改、变化、改进、以及实质等价物。因此，提交且可以修改的所附权利要求旨在包括所有这些替换物、修改、变化、改进、和实质等价物。

Claims (20)

1.一种用于形成模具装置的方法，包括：
通过增材制造方法形成腔体部分；
其中，所述腔体部分包括具有大于或等于约0.025μm表面粗糙度的腔体模制表面和多个腔体流体通道；
其中，所述腔体流体通道包括与所述腔体模制表面的轮廓共形的轮廓；
处理所述腔体模制表面以将表面粗糙度降低到低于约0.025μm；
通过增材制造形成核心部分；
其中，所述核心部分包括核心模制表面和多个核心流体通道；
其中，所述核心流体通道与所述核心模制表面共形。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述腔体模制表面包括机械加工所述模制表面。
3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括处理所述核心模制表面以将表面粗糙度降低到小于或等于约0.025μm，并且其中，所述处理所述核心模制表面包括机械加工所述核心部分的模制表面。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述多个腔体流体通道和所述多个核心流体通道中的至少一部分是非线性的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述增材制造方法包括激光烧结、激光熔合、激光金属沉积。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述核心模具表面和所述核心流体通道之间的距离在所述核心模具表面上变化小于3％，并且其中，所述腔体模具表面和所述腔体流体通道之间的距离在所述腔体模具表面上变化小于3％。
7.一种形成模具装置的方法，包括：
形成包括腔体表面的腔体嵌入件，所述腔体表面具有小于或等于约0.025μm的粗糙度；
通过增材制造形成与所述腔体表面相对的腔体部分；
其中，所述腔体部分包括多个腔体流体通道；
其中，所述腔体流体通道包括与腔体模制表面的轮廓共形的轮廓；
通过增材制造形成核心部分；
其中，所述核心部分包括核心模制表面和多个核心流体通道；
其中，所述核心流体通道与所述核心模制表面共形。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，处理所述腔体模制表面包括机械加工所述模制表面。
9.根据权利要求7或8所述的方法，进一步包括处理所述核心模制表面以将表面粗糙度降低到小于或等于约0.025μm，并且其中，所述处理所述核心模制表面包括机械加工所述核心部分的模制表面。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中，所述多个腔体流体通道和所述多个核心流体通道中的至少一部分是非线性的。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其中，所述增材制造方法包括激光烧结、激光熔合、激光金属沉积。
12.根据权利要求7-11中任一项所述的方法，其中，所述核心模具表面和所述核心流体通道之间的距离在所述核心模具表面上变化小于3％，并且其中，所述腔体模具表面和所述腔体流体通道之间的距离在所述腔体模具表面上变化小于3％。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，所述核心部分和所述腔体部分包含钢、硬化钢、预硬化钢、热加工钢、不锈热加工钢、和包含上述中的至少一种的组合。
14.一种通过权利要求1-13中任一项所述的方法制造的模具装置。
15.一种模具装置，包括：
包含核心模制表面和多个核心流体通道的核心部分；
其中，所述核心流体通道与所述核心模制表面的轮廓共形；
包含腔体模制表面和多个腔体流体通道的腔体部分；
其中，所述腔体流体通道与所述腔体表面的轮廓共形；
其中，所述核心模制表面和所述腔体模制表面中的至少一个包括小于约0.025μm的粗糙度。
16.根据权利要求15所述的模具装置，其中，所述核心表面和腔体表面包含金属材料；其中，所述核心流体通道和所述腔体流体通道中的至少一部分是非线性的；其中，所述核心模具表面和所述核心流体通道之间的距离在所述核心模具表面上变化小于3％；并且其中，所述腔体模具表面和所述腔体流体通道之间的距离在所述腔体模具表面上变化小于3％。
17.一种用于模制聚合物的方法，包括：
通过使加热流体通过多个核心通道来加热核心模制表面；
其中，所述多个核心通道与所述核心模制表面共形；
其中，所述核心模制表面包括小于或等于约0.025μm的粗糙度；
通过使加热流体通过多个腔体通道来加热腔体模制表面；
其中，所述多个腔体通道与所述腔体模制表面共形；
其中，所述腔体模制表面包括小于或等于约0.025μm的粗糙度；
在所述核心部分和所述腔体部分之间注入聚合物材料；
施加压力至所述聚合物材料以形成聚合物产物；
通过使冷却流体通过所述多个核心流体通道和所述多个腔体通道来冷却所述核心模制表面和所述腔体模制表面；
弹出所述聚合物产物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，加热所述核心模制表面和腔体模制表面包括使加压的液态水通过通道；其中，冷却所述核心模制表面和腔体模制表面包括使液态水通过所述通道；其中，所述腔体模具表面和所述腔体通道之间的距离在所述腔体模具表面上变化小于3％；其中，所述核心模具表面和所述核心流体通道之间的距离在所述核心模具表面上变化小于3％。
19.一种通过权利要求17或18所述的方法制造的热塑性制品。
20.根据权利要求19所述的热塑性制品，其中，所述热塑性制品是汽车灯光反射镜。
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