CN108746621A - 一种自清洁的多孔网络结构随形冷却流道及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于模具制造领域，并公开了一种自清洁的多孔网络结构随形冷却流道及其成形方法。该冷却流道包括管道中空部分和管壁部分，管壁部分呈多孔网络结构，该多孔网络结构包括多个呈中空的网络单元，每个网络单元与其临近的网络单元相互连接并由此形成孔洞，以此使得管壁部分呈多孔结构，每个网络单元的中空部分相互连通且同时与管道中空部分连通，此外，管道中空部分和每个网络单元的中空部分的内壁上均涂覆有疏水材料。本发明还公开了该冷却流道的成形方。通过本发明，避免流道污染和阻塞等问题，提升模具的冷却效率，缩短模具成形周期，提升生产效率。

Description

一种自清洁的多孔网络结构随形冷却流道及其成形方法

技术领域

本发明属于模具制造领域，更具体地，涉及一种自清洁的多孔网络结构随形冷却流道及其成形方法。

背景技术

模具是现代制造业中的重要装备，模具工业是国民经济中重要的基础工业，模具的设计和制造水平高低是衡量一个国家综合制造能力的重要标志，它决定着产品的质量、效益和新产品的研发能力。模具的冷却系统是其核心部分，决定着模具的寿命、产品生产效率和质量。随形冷却流道是指流道形状随模腔变化而变化的冷却流道，相对于传统直孔冷却流道，随形冷却流道在一定程度上能够提高冷却效率，增加冷却均匀性，减少残余应力，防止产品出现翘曲变形等缺陷。但是，随形冷却流道只考虑到冷却流道随形带来的影响，并没有考虑冷却流道本身形状和结构对于模具冷却效率和产品质量的影响。

增材制造技术，尤其是激光选区熔化(SLM)技术的出现使得随形冷却流道的制造和使用更加方便，应用前景更加广阔。然而，由于随形冷却流道相较于传统直线型流道形状更加复杂，如果通过改变流道本身的形状和结构来提高冷却效率，又会进一步导致随形冷却流道内部的复杂度。增加形状和结构的复杂度虽然可以提高模具的冷却均匀性和冷却速率，但是又不可避免的增加了冷却液中的杂质吸附沉积在冷却流道表面的可能性，逐步导致冷却流道阻塞，使得模具冷却系统最终失效。

疏水材料是一种具有低表面能的材料，它与液滴表面润湿角大于90°。当形成的疏水表面具有微纳级粗糙结构时会增大其润湿角(大于150°),形成超疏水自清洁表面。超疏水自清洁表面因水滴滚动带走表面污染物的独特性能，具有防污、防锈、减阻等优点，有广泛的应用前景。由于金属标准电极点位低，金属表面对水及水溶液多具有较好的润湿性，易吸附杂质及污染物。通过向金属管道内表面涂覆超疏水自清洁涂层可以保持管道内壁清洁，减小冷却液体流动阻力，避免冷却流道阻塞。同时，对于由化学性质较为活泼的金属制成的模具，通过对随形冷却流道表面涂覆的自清洁涂层可以防止流道表面发生金属腐蚀，增加模具的使用寿命。当前，国内外尚无相关研究将自清洁涂层和随形冷却流道技术相结合，以解决冷却流道阻塞和冷却效率低等问题的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自清洁的多孔网络结构随形冷却流道及其成形方法，通过设计具有多孔网络结构的随形冷却流道，提高模具系统的冷却效果，同时通过结合选区激光熔化(SLM)技术和涂料制备技术制得自清洁的多孔网络结构随形冷却流道，该流道内壁上的超疏水自清洁涂料降低流道堵塞和流道污染的可能，由此解决流道堵塞和冷却效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自清洁的多孔网络结构随形冷却流道的成形方法，其特征在于，该成形方法包括下列步骤：

(a)建立设置有多孔网络结构冷却流道的模具的三维模型，所述冷却流道包括管道中空部分和管壁部分，所述管壁部分呈多孔网络结构，该多孔网络结构包括多个呈中空的网络单元，每个网络单元与其临近的网络单元相互连接并由此形成孔洞，以此使得所述管壁部分呈多孔网络结构，每个所述网络单元的中空部分相互连通且同时与所述管道中空部分连通，此外，所述管道中空部分和每个网络单元的中空部分的内壁上均涂覆有疏水材料；

(b)采用用3D打印技术根据所述三维模型打印成形所述模具，获得所述模具和该模具中的冷却流道；选取疏水性基体树脂、固化剂、粉体和助剂混合形成疏水清洁涂料，将该涂料均匀涂覆在所述冷却流道的管道中空部分和每个网络单元的中空部分的内壁上，干燥后即完成所需的冷却流道的成形。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述3D打印技术优选采用激光选区熔化成形。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述疏水性基体树脂为液滴接触角大于90°的材料，包括有机硅体系和有机氟体系，其中，所述有机硅体系包括聚硅氧烷树脂、硅橡胶、聚氨酯/有机硅、环氧改性/有机硅、丙烯酸/有机硅、聚醚/有机硅、聚芳砜/有机硅、聚酰胺/有机硅中的一种或几种的混合物，所述有机氟体系包括非包括合成氟树脂和合成氟橡胶。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述固化剂包括多元胺固化剂、有机酸酐类固化剂、合成树脂固化剂、聚酰胺固化剂中的一种或几种的混合物。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述粉料包括着色粉料、防锈粉料、功能粉料中的一种或几种的混合物。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述助剂包括流平剂、分散剂、消泡剂、增韧剂中的一种或几种.

进一步优选地，在步骤(b)中，所述涂覆的方法是通过将所述涂料导入所述冷却流道中，然后匀速旋转所述冷却流道直至涂覆均匀，涂覆的时间为5min～60min，所述干燥温度为50℃～100℃。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述所述的成形方法成形获得的自清洁的多孔网络结构随形冷却流道。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过设计具有多孔网络结构的随形冷却流道，提高模具系统的冷却效果，该随形冷却流道具有结构梯度，包括管道中空结构和管壁多孔网络结构两部分，该随形冷却流道结构可以在保证冷却液体循环效率的同时提升有效热传导散热面积，提升冷却效率；

2、本发明通过灌涂的方式在随形冷却流道内壁浸涂均匀稳定的自清洁涂层，不仅避免了流道污染、阻塞等问题，而且提升了模具的冷却效率，缩短模具成形周期，提升生产效率；

3、本发明采用基体树脂材料这种高分子材料作为主要的疏水涂层材料，基体树脂材料优选为液滴接触角大于90°的低表面能材料，通过灌涂的方式，在随形冷却流道的内壁上成形具有表面自清洁作用的涂层，能够避免杂质吸附沉积所导致的冷却流道堵塞、模具冷却系统无法正常工作等问题。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的自清洁的多孔网络结构随形冷却流道的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的冷却流道的网络单元的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的使用随形冷却流道的模具的剖面结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的结构随形冷却流道模具的三维模型结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-网络单元2-随行冷却流道3-模具型腔4-随形冷却流道的管道中空部分5-随形冷却流道的管壁

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明首先通过三维设计软件设计出多孔网络结构随形冷却流道模具三维模型，然后使用SLM成形装置成形模具，配备超疏水自清洁涂料，使用灌涂的方式在随形冷却流道表面进行涂装，最终制得具有表面自清洁作用的多孔网络结构随形冷却流道模具。随形冷却流道是模具内部用来冷却模具的孔道，该冷却流道的成形是无法脱离模具而单独存在的，所以使用SLM成形随形冷却流道等价于成形具有这种随形冷却流道的模具；选择SLM成形随形冷却流道模具，是因为传统冷却流道是直线型的，通过机械加工打孔的方式成形，而随形冷却流道的形状是不规则的，无法通过机械加工加工，所以采用基于SLM技术的3D打印的方法成形。

一种具有表面自清洁作用的多孔网络结构随形冷却流道的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用三维设计软件设计带有随形冷却流道的模具的三维模型，图4是按照本发明的优选实施例所构建的随形冷却流道模具的三维模型结构示意图，如图4所示，该三维模型包括模具区域和随形冷却流道区域，图1是按照本发明的优选实施例所构建的自清洁的多孔网络结构随形冷却流道的结构示意图,如图1所示，其中随形冷却流道区域为中空管状结构，管壁为多孔网络结构；

(2)然后再将该三维模型转化成stl格式并导入到Magics切片软件中进行切片处理，获得具有网络结构随形冷却流道的模具的切片数据；

(3)进行成形处理过程，具体是，将切片数据导入到SLM设备中，然后将所需的金属粉末装入到成形缸中，根据设定的切片厚度和工艺参数将送粉缸中的金属粉末均匀铺在成形基板上，然后使用SLM工艺完成该层成形；

(4)将所述成形基板下降一个铺粉层高度，重复步骤(3)直至完成整个具有网络结构随形冷却流道的模具的制造；

(5)将成形后的模具取下，清除模具表面以及随形冷却流道表面附着的粉末，然后依次用硝酸盐混合溶液、氢氧化钠溶液以及去离子水酸洗、碱洗和水洗随形冷却流道表面，然后用吹风机冷风干燥。

(6)将疏水性基体树脂、固化剂、粉体、助剂按照一定的比例先后混合，经过充分搅拌、过滤制得超疏水自清洁涂料，此外，可以通过添加助剂进一步提高疏水涂层与模具金属之间的结合强度，例如在制备涂料时还可优选添加质量占比0～5％的胶黏剂，通过添加质量占比0～5％增韧剂可以改善自清洁涂层的性能及其耐用性。

(7)将涂料倒入到随形冷却流道内部，缓慢均匀旋转，一段时间后，倒出多余的涂料，然后室温干燥或加热干燥。最终获得具有表面自清洁作用的网络结构随形冷却流道。

优选地，所述步骤(1)中，所述多孔网络的单元拓扑结构包括立方体结构、八面体结构、蜂窝结构、砖石结构、十二面体结构等，其中，立方体结构又包括立方密排结构、面心立方结构、体心立方结构、球形中空立方结构等；

优选地，所述步骤(2)得到的切片层中任意一个切片层对应的厚度与任意一个所述扫描层厚相等。

优选地，所述步骤(3)中，所述SLM工艺成形是采用光纤激光器，该光纤激光器波长为1070nm，最大功率1000W，光斑直径为0.1mm～0.15mm，并且该SLM工艺成形是在惰性气体中进行的；

优选地，所述步骤(3)中，所述模具金属粉末包括铁基金属粉末、铜基金属粉末、锌基金属粉末、铝基金属粉末以及镍基高温合金粉末中的一种；优选为铁基金属粉末，该铁基金属粉末的平均粒径范围为30μm～50μm,并且含氧量低于1000ppm；

优选地，所述步骤(5)中，所述将成形后的模具取下具体是将成形后的模具从基板上切下，切割方式包括线切割、激光切割、等离子切割中的一种，优选为线切割；

优选地，所述步骤(6)中，所述疏水性基体树脂材料为液滴接触角大于90°的材料，包括有机硅体系、有机氟体系。其中，有机硅体系包括聚硅氧烷树脂、硅橡胶、聚氨酯/有机硅、环氧改性/有机硅、丙烯酸/有机硅、聚醚/有机硅、聚芳砜/有机硅、聚酰胺/有机硅中的一种或几种的混合物；有机氟体系所述粉体包括非包括合成氟树脂和合成氟橡胶。所述固化剂包括多元胺固化剂、有机酸酐类固化剂、合成树脂固化剂、聚酰胺固化剂中的一种或几种的混合物。所述粉料包括着色粉料、防锈粉料、功能粉料中的一种或几种的混合物。所述助剂包括流平剂、分散剂、消泡剂、增韧剂中的一种或几种；

优选地，所述步骤(7)中，涂料旋转涂挂时间为5min～60min，加热干燥温度范围为50℃～100℃。

为了进一步具体解释说明本发明，以下给出了具体实施例。

实施例1

该实施例包括以下步骤：

(1)利用三维设计软件UG设计随形冷却流道模具三维模型，该随形冷却流道随形结构为螺旋状，流道形状为如图1的内径8mm、外径12mm的中空管道与多孔网络管壁复合结构，其中管壁为如图2的相对密度20％的菱形十二面体单元拓扑多孔结构。将三维模型导入到切片软件Magics中切片处理，每层切片厚度选择0.01mm；

(2)选用激光选区熔化(SLM)成形该模具，将S136模具钢粉末置于送粉缸中。其中，S136模具钢粉末通过气雾化工艺制备，保持良好的球形度和流动性，粒径范围为20～50μm；

(3)成形过程中，先将送粉缸中的S136模具钢粉末均匀铺在成形平台(或成形基板)上，然后使用预先设定的SLM工艺成形，其中具体参数可以设置如下：激光功率280W，扫描速度1000mm/s,铺粉厚度0.01mm。

(4)完成一个铺粉层成形，所有平台下降一个特定的铺粉高度0.01mm，重复步骤(4)直至完成整个具有多孔网络结构随形冷却流道的模具的制造。

(5)使用电火花线切割机将成形后的模具从基板上切下，清除模具表面以及随形冷却流道表面附着的粉末，然后依次用硝酸盐混合溶液、氢氧化钠溶液以及去离子水酸洗、碱洗和水洗随形冷却流道表面，然后用吹风机冷风干燥，准备在流道表面涂装自清洁涂层。

(6)取聚乙二醇单丙烯酸树脂、丙烯酸树脂、有机硅单体、甲基丙烯酸乙酯按照3：2：3：2的比例称量，充分搅拌后放置到烧杯中，然后称量引发剂t-(过氧化二乙基己酸叔丁酯)1.6g加入烧杯中，搅拌分散均匀制成有机硅树脂作为疏水性基体树脂。将制得的疏水性基体树脂、稀释剂、以及流平剂、分散剂、消泡剂和增韧剂(邻苯二甲酸二丁酯)称量加入到烧杯中，加入氧化铁红作为颜料，充分搅拌1h，得到组分A。将固化剂、固化促进剂混合后充分搅拌得到组分B。A与B按照3～5比例混合搅拌，过滤，静置5min，待涂料熟化后使用。

(7)将熟化涂料倒入到随形冷却流道内部，缓慢均匀旋转，一段时间后，倒出多余的涂料，然后室温干燥或加热干燥。最终获得具有表面自清洁作用的网络结构随形冷却流道。

(8)将获得的具有疏水作用随形冷却流道的模具装配起来，实际应用中发现疏水涂层均匀稳定地附着在随形冷却流道表面，不仅有效提升了冷却液的流动效率，而且大幅改善了模具随形冷却流道易堵塞的缺点，达到了预期效果。

本发明可用于成形具有疏水作用的随形冷却流道的模具。本发明中利用三维设计设计出的带有随形冷却流道部分的模具，可以仅为模具上具有随形冷却流道的部分，也就是说，本发明制备得到的具有疏水作用的随形冷却流道，可以仅为模具上具有随形冷却流道的部分(如带有随行冷却水道的动模或定模部分，即部分模具，而非模具整体；模具整体后续可以由多个部分组合起来得到的)，当然根据实际情况，例如整体模具体积较小，形状复杂、加工难度高时，也可以通过3D打印成形整体模具。除了上述实施例中步骤(6)中所采用的自清洁涂料的配方外，本发明还可以采用现有技术中其他已公开自清洁涂料配方，例如，基体树脂、粉体、助剂、溶剂的具体种类及配比等，均可结合实际需要，采用现有技术中的其他配方。例如，可根据已公开疏水材料配方将一定比例所需基体树脂、粉体、助剂添加到相应溶剂中经过搅拌稀释、分离、洗涤、烘干，制得具有低表面能超疏水自清洁涂料，从而预备作为自清洁涂层原料。基体树脂材料为液滴接触角大于90°的低表面能材料，为了尽可能增大基体树脂的疏水性，在实际生产中可选用含硅树脂、含氟树脂以及硅-氟复合树脂中的一种或多种。

本发明中所使用的将三维模型进行切片处理的切片软件，可以采用现有商业的切片软件，切片软件的具体处理方式，均可参照相关的现有技术。激光选区熔化(SLM)所采用的装置及其它未详细说明的具体处理方式，均可参照相关现有技术。可以灵活调整切片层的打印方向，例如可以自上到下打印，也可以由左到右进行打印。在具体成形处理时，当一层切片层对应的铺粉层成形完毕后，所有平台下降一个特定的铺粉高度，进行与该切片层紧邻的其他切片层(如位于上方或下方的切片层)对应的铺粉层的成形，如此重复，直至完成整个具有疏水作用涂层的随形冷却流道模具的制造。

上述实施例中，为防止金属粉末氧化，SLM加工过程是在惰性气体中进行的。根据实际需要可以灵活调整模具金属粉末；本发明中的铁基金属粉末，既可以是铁单质，也可以是铁合金粉末，同时，铜基金属粉末、锌基金属粉末、铝基金属粉末等都可以使用纯金属单质或合金粉末。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自清洁的多孔网络结构随形冷却流道的成形方法，其特征在于，该成形方法包括下列步骤：

(a)建立设置有多孔网络结构冷却流道的模具的三维模型，所述冷却流道包括管道中空部分和管壁部分，所述管壁部分呈多孔网络结构，该多孔网络结构包括多个呈中空的网络单元，每个网络单元与其临近的网络单元相互连接并由此形成孔洞，以此使得所述管壁部分呈多孔网络结构，每个所述网络单元的中空部分相互连通且同时与所述管道中空部分连通，此外，所述管道中空部分和每个网络单元的中空部分的内壁上均涂覆有疏水材料；

(b)采用用3D打印技术根据所述三维模型打印成形所述模具，获得所述具有多空网络结构随形冷却流道的模具；选取疏水性基体树脂、固化剂、粉体和助剂混合形成疏水清洁涂料，将该涂料均匀涂覆在所述冷却流道的管道中空部分和每个网络单元的中空部分的内壁上，干燥后即完成所需的冷却流道的成形。

2.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述3D打印技术优选采用激光选区熔化成形。

3.如权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述疏水性基体树脂为液滴接触角大于90°的材料，包括有机硅体系和有机氟体系，其中，所述有机硅体系包括聚硅氧烷树脂、硅橡胶、聚氨酯/有机硅、环氧改性/有机硅、丙烯酸/有机硅、聚醚/有机硅、聚芳砜/有机硅、聚酰胺/有机硅中的一种或几种的混合物，所述有机氟体系包括非包括合成氟树脂和合成氟橡胶。

4.如权利要求1-3任一项所述的成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述固化剂包括多元胺固化剂、有机酸酐类固化剂、合成树脂固化剂、聚酰胺固化剂中的一种或几种的混合物。

5.如权利要求1-4任一项所述的成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述粉料包括着色粉料、防锈粉料、功能粉料中的一种或几种的混合物。

6.如权利要求1-5任一项所述的成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述助剂包括流平剂、分散剂、消泡剂、增韧剂中的一种或几种。

7.如权利要求1-6任一项所述的成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述涂覆的方法是通过将所述涂料导入所述冷却流道中，然后匀速旋转所述冷却流道直至涂覆均匀，涂覆的时间为5min～60min，所述干燥温度为50℃～100℃。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的成形方法成形获得的自清洁的多孔网络结构随形冷却流道。