CN108099064A - 基于3d打印的模具制造方法及轮胎模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印的模具制造方法及轮胎模具，以至少模具使用时与产品接触部分的半封闭区域的底部是透气结构为前提，建立模具数据模型；对模具数据模型进行烧结参数赋值，保证透气结构的烧结参数中的光斑间距大于设定值；利用3D打印设备根据模具数据模型，依照赋予的不同烧结参数，进行打印，形成模具。本发明使用3D打印机打印透气钢橡胶模具，省去了模具本身复杂的排气系统，不需要在模具上打气孔，也不需要无气孔模具等复杂的模具结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于3D打印的模具制造方法及轮胎模具。
背景技术
目前橡胶模具(如轮胎模具)的排气方案主要有两种，一种是在模具上打洞或气孔进行排气，另一种为无气孔模具。在实际应用中，这两种排气方案均具有明显的不足之处：
如果使用在模具上打洞或气孔的方式进行排气，排气效果比较好，但是一个普通橡胶模具气孔数量多达几千个，打洞或气孔的工序耗时费力，占用大量人力物力，且洞或气孔的质量控制难度高，并不能保证每个气孔的按照要求完成。
如果使用无气孔模具，则需要将模具型腔拆分成很多小的单元进行加工，然后拼装到一起，利用各个单元之间的配合间隙进行排气。普通轮胎活络模具型腔部分根据实际需要，其拆分成的小单元少则几十，多则上百，且这些小单元的配合精度要求高，并不方便进行操作，也无法很好的控制质量。
综上，目前已有的排气方案对加工、装配和维护等，都有较高要求，且模具成本也较高，并不适用于实际生产。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于3D打印的模具制造方法及轮胎模具，本发明利用3D打印技术制造橡胶模具，节省了复杂的排气系统制造环节，且使得质量控制变得更容易，大大缩短了模具生产周期。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于3D打印的模具制造方法，包括以下步骤：
(1)以至少模具使用时与产品接触部分的半封闭区域的底部是透气结构为前提，建立模具数据模型；
(2)对模具数据模型进行烧结参数赋值，保证透气结构的烧结参数中的光斑间距大于设定值；
(3)利用3D打印设备根据模具数据模型，依照赋予的不同烧结参数，进行打印，形成模具。
半封闭区域即模具表面具有上部开口的半封闭结构。例如轮胎模具型腔中，具有的由花筋或钢片围成的半封闭区域。
模具花纹部分的型腔底面部分采用通气结构，使其与模具型腔底面的排气槽相配合。这样的设计能够保证橡胶模具的排气槽周边为透气结构，保证排气槽的顺利排气，提高排气质量和效率。
进一步的，上述制造方法还包括步骤(4)，机械加工形成的模具的与产品接触的部分的连接面和配合面。
进一步的，如果模具数据模型中存在不透气结构，增大透气结构的烧结参数中的光斑间距，使其光斑间距稍大于正常烧结时光斑的间距。使不透气结构的烧结参数中的光斑间距为正常烧结时光斑的间距或可以略小于正常烧结时光斑的间距。保证透气结构的烧结参数中的光斑间距大于不透气结构的烧结参数中的光斑间距。
进一步的，如果模具数据模型中不存在不透气结构，则设定值大于等于该类产品建模时模具数据模型中正常烧结时光斑的间距。
进一步的，烧结参数中的光斑间距数值需要根据不同的激光的功率、激光扫描的速度以及使用的光斑的大小进行调整。
进一步的，根据3D打印设备的不同，光斑间距的值为0.05～0.3mm。
通过增大或减小激光束间距实现透气量大小的调整。
进一步的，利用3D打印设备一层一层的依次打印，打印多层，通过层层累加的方式形成模具成品。
优选的，每N层激光扫描路径进行交叉一定角度，N根据每层材料的厚度进行设置，能够保证材料内部的连接强度即可，N大于等于1。
同时，每层的厚度值根据激光的功率和/或扫描速度进行调整。
优选的，每一层的厚度值为0.01～0.3mm。
更进一步的，每N层的激光扫描路径与上一次的激光扫描路径交叉且具有一定的夹角，形成无规律的孔径值≤0.3mm的透气模体。
优选的，夹角范围为5°～175°。
一种模具，由上述方法制备而成，并用于橡胶、塑料等高分子材料制品的生产。
更为具体的，一种轮胎模具，由上述方法制备而成，轮胎模具型腔底面的模体由透气结构构成，或为透气结构。
透气结构的孔径值≤0.3mm。
或更为优选的，0.005mm≤孔径值≤0.15mm，
或进一步的，0.005mm≤孔径值≤0.10mm。
上述轮胎模具的花纹部分的厚度为3mm～30mm。
上述轮胎模具的花纹部分的花筋和钢片部分为不透气结构。
上述轮胎模具具有多层3D印结构，且每层之间具有一定夹角，至少模具花纹部分的型腔底面部分为透气结构，且透气结构的光斑间距大于不透气结构光斑间距。
所述模具的花纹部分背面设有将模具花纹部分和滑块连接在一起的固定柱。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明使用3D打印机打印透气钢橡胶模具，省去了模具本身复杂的排气系统，不需要在模具上打气孔，也不需要无气孔模具等复杂的模具结构；
2)本发明的制造过程简单快捷，节省大量人力物力，使产品的质量控制变得更容易，节省了附加的排气系统二次加工或间隙配合工序，大大缩短了模具生产周期；
3)采用本发明的制造而成的橡胶模具制备的轮胎表面均匀、无规律，能获得更好的抓地力，提高安全性与操控性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的打印的模具的实施例一结构示意图；
图2为本发明的打印的模具的实施例二结构示意图；
图3为本发明的打印的模具的实施例三结构示意图；
图4为本发明的打印的模具的实施例四结构示意图；
图5(a)-(c)为本发明的烧结过程示意图。
其中：1、3D打印实体部分，2、3D打印透气部分，3、机械加工部分，4、排气槽，5、连接螺栓。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中排气方案对加工、装配和维护等，都有较高要求，且模具成本也较高，并不适用于实际生产的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了基于3D打印的模具制造方法及轮胎模具。
以轮胎模具为例进行说明。
具体制造过程为：将设计好的模具花纹块生成数据模型。透气的部分与不透气的部分可以分成两部分建模，然后组合在一起，也可以一体建模。
将透气与不透气的部分分别赋予不同的烧结参数，利用3D打印机开始加工。
模具花纹部分的型腔底面部分采用通气结构设计，使其与模具型腔底面的排气槽4相配合，实现顺利排气。而凸起部分即模具花纹部分的花筋和钢片部分优选为不透气部分。如图1所示的具体实施例一所示，模具花纹部分的花筋和钢片部分为实体部分，即图1或图2中的3D打印实体部分1。
模具花纹部分的厚度优选为3mm～30mm。
作为一种优选方式，模具花纹部分背面设有固定柱，固定柱的作用是将模具花纹部分和滑块连接在一起。
在透气部分和不透气部分的3D打印过程中具体操作参数是不同的，通过增大烧结参数中的光斑间距，使光斑间距稍大于正常烧结时光斑的间距，具体大于的数值需要根据不同的激光的功率、激光扫描的速度、使用的光斑的大小进行调整，材料烧结后的形成透气结构，即图1或图2中的3D打印透气部分2。
例如烧结某材料时，为使其达到正常的力学性能，使用的激光器功率选择为280W，激光扫描速度700mm/秒，光斑间距为0.11mm，此时只需增加光斑间距即可使材料透气。
当然，上述参数只是示例，具体参数会随着材料的改变等外界因素的调整进行调整，这些均属于本领域技术人员已经掌握的公知常识或进行调整实验即能够得到的，因此在此不再赘述。
当然，根据设备的不同，一般光斑间距的值可优选为0.05～0.3mm。透气量大小(孔隙率)可以根据需要进行调整，只需增大或减小激光束间距即可实现。3D打印通过层层累加的方式堆砌出最终的模具产品。
3D打印的每层的厚度值可以根据激光的功率、扫描速度进行调整，优选为0.01～0.3mm，每一层的激光扫描路径与上一次交叉一定的角度，优选为5°～175°，形成无规律的孔径值≤0.15mm的透气模体，进一步的小于0.10mm，在硫化过程中，更能尽可能的避免橡胶胶料进入透气结构中，同时为保证气体能够从其中排出，孔径值优选大于等于0.005mm。如图5(a)-(c)详见烧结过程示意图，其中，图5(a)为第一层打印图，图5(b)为第二层打印图，图5(c)为第三层打印图，其中每两道烧结后的结构之间，可以有因为烧结时激光的热影响导致的连接或粘连的结构，图中未详细表述。
作为一种实施方式，也可以每N层激光扫描路径进行交叉一定角度。N根据每层材料的厚度进行设置，能够保证材料内部的连接强度即可。N优选为小于等于10。
当然成品可能还需要机械加工模具花纹部分的连接面、配合面，属于机械加工部分3。
对于模具中需要保证高强度，高精度的部分如，与其他部件连接处、定位孔、配合面(需要后期机加工)，以及钢片花筋等部件，即不透气部分可以采用正常的激光束间距(理论值为一个光斑直径)。而整个型腔底面全部采用透气部分，从而达到同一工件，不同部位不同工艺及力学性能，一次打印，整体实现。
透气与不透气部分，可以根据实际需要，灵活选择。
具体实施例二中，如图2所示，对于花纹中无钢片或薄壁结构时，除上例中提到的连接处，定位孔与配合面，其余部分均可烧结透气部分。
具体实施例三中，如图3所示的是花纹块中打印部分与非打印部分的另一种连接方式，具体实施例四中，如图4所示的是整个花纹块通体均为可烧结透气部分打印的方案。
具体实施例四，跟具体实施例一的区别为，透气部分的结构直接通过具有透气结构的材质机械加工而成，例如透气铝合金、透气钢、透气钛合金等。其内部的透气结构可以不同于3D打印的有规则的结构，但是保证能够排气，同时橡胶不会或者较少进入到透气结构之中即可。透气结构的孔隙或孔径优选小于等于0.3mm。作为优选方案，透气结构的孔隙小于等于0.15mm，进一步的小于0.10mm，在硫化过程中，更能尽可能的避免橡胶胶料进入透气结构中,同时为保证气体能够从其中较为顺畅的排出，孔径值优选大于等于0.005mm，通过采用这种透气结构，模具无需设计并加工排气孔，降低了模具的设计加工成本。
对于模具的花筋、钢片等部分可以采用单独加工的方式镶嵌在加工后的模具的型腔的底面上。也可将花筋和模具镶嵌底面一体加工成型，只在相应的位置镶嵌钢片。也可根据轮胎的需要不镶嵌钢片。也可以将整个模具全部采用透气材质进行加工。
透气部分可以只包括位于模具型腔的位置的部分，其他的位置仍采用非透气的材质进行加工，然后将透气部分固定在模具的非透气部分上。具体的透气部分和非透气部分的设置可以如图1、2、3、4所示。
具体实施例五，上述3D打印所选用的材料可以不限于以下材料：铝合金、钢、钛合金、镍合金等。
进一步的，本领域技术人员可从其他方式，如调整3D打印的材质的物理或化学参数来改变透气性能，以保证橡胶不会或者较少进入到透气结构之中，在此就不再进行进一步的延伸和赘述了。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (19)
1.一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)以至少模具使用时与产品接触部分的半封闭区域的底部是透气结构为前提，建立模具数据模型；
(2)对模具数据模型进行烧结参数赋值，保证透气结构的烧结参数中的光斑间距大于设定值；
(3)利用3D打印设备根据模具数据模型，依照赋予的不同烧结参数，进行打印，形成模具。
2.如权利要求1所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：还包括步骤(4)，机械加工形成的模具的与产品接触的部分的连接面和配合面。
3.如权利要求1所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：如果模具数据模型中存在不透气结构，增大透气结构的烧结参数中的光斑间距，使其光斑间距大于不透气结构烧结时光斑的间距。
4.如权利要求1所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：烧结参数中的光斑间距数值需要根据不同的激光的功率、激光扫描的速度以及使用的光斑的大小进行调整。
5.如权利要求1所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：根据3D打印设备的不同，光斑间距的值为0.05～0.3mm。
6.如权利要求4所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：增大或减小激光束间距实现透气量大小的调整。
7.如权利要求1所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：利用3D打印设备一层一层的依次打印，打印多层，通过层层累加的方式形成模具成品。
8.如权利要求7所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：每N层激光扫描路径进行交叉一定角度，N根据每层材料的厚度进行设置，能够保证材料内部的连接强度即可。
9.如权利要求7所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：每层的厚度值根据激光的功率和/或扫描速度进行调整。
10.如权利要求7所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：每一层的厚度值为0.01～0.3mm。
11.如权利要求10所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：夹角范围为5°～175°。
12.如权利要求10所述的一种基于3D打印的模具制造方法，其特征是：利用每N层激光扫描路径之间的夹角，形成无规律的孔径值≤0.3mm的透气模体。
13.一种模具，其特征是：由如权利要求1-12中任一项所述的方法制备而成。
14.一种轮胎模具，由如权利要求1-12中任一项所述的方法制备而成，其特征是：轮胎模具型腔底面的模体为透气结构。
15.如权利要求14所述的一种轮胎模具，其特征是：透气结构具有一定孔径值，且孔径值≤0.3mm；
或，孔径值≤0.15mm，
或进一步的，孔径值≤0.10mm。
16.如权利要求15所述的一种轮胎模具，其特征是：孔径值大于等于0.005mm。
17.如权利要求14所述的一种轮胎模具，其特征是：模具花纹部分的厚度为3mm～30mm。
18.如权利要求14所述的一种轮胎模具，其特征是：模具花纹部分的花筋和钢片部分为不透气结构。
19.如权利要求14所述的一种轮胎模具，其特征是：透气结构通过具有透气结构的材质机械加工得到，具有透气结构的材质包括但不限于透气铝合金、透气钢或透气钛合金。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2017-11-27 CN CN201711206299.6A patent/CN108099064A/zh active Pending
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