CN110216814A - 一种基于3d打印技术的模具及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于3D打印技术的模具，包括由3D打印成型的模具本体，模具本体具有密封型腔；密封型腔由型腔壁构成；型腔壁为双层密封结构，双层密封结构包括内表层和外表层，内表层用于形成密封型腔，外表层用于形成模具本体的外壁；内表层和外表层之间设置有介质管路；介质管路为若干根，沿型腔壁的延伸方向分排布置，且介质管路的管壁与内表层、外表层为一体结构；若干根介质管路相互连通，且连通后的介质管路的进口端和出口端均位于模具本体的外表面，进口端和出口端连接模温机。本发明还提供了上述模具的成型方法。本发明的基于3D打印技术的模具及其成型方法能够大大缩短模具成型的时间，还能够将模具的加热功能在成型时同时实现。

Description

一种基于3D打印技术的模具及其成型方法

技术领域

本发明涉及复合材料模具领域，尤其涉及一种基于3D打印技术的复合材料模具。

背景技术

模具是用来制作成型物品的工具，这种工具由各种零件构成，不同的模具由不同的零件构成。它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。根据结构特点，模具可分为平面的冲裁模和具有空间的型腔模。合模时，凡具有用来填充金属或非金属材料、成形金属或非金属材料空间，即带有弄腔的模具，称之为型腔模。

复合材料模具是指用于成型复合材料构件的模具，其相比于金属成型模具，对于累积公差的要求更加严格，模具与零件贴合面尺寸的差异取决于模具的类型及其膨胀特性，复合材料零件的最后尺寸是基本最高固化温度下的尺寸。

传统意义上，复合材料模具加工时需要先成型一个阳模，阳模可以采用木头、水泥、石膏、复合材料成型，然后在阳模基础上再翻制得到一个阴模，即通常所说的模具；对于具有加热功能的模具，在制备模具的过程中，需要铺覆铜管或者电加热丝以赋予其加热功能属性。该传统的模具成型技术路线具有时间长、成本高的缺点；当面对需求的复合材料制品数量不多、或时间紧迫的情况，阳模成型这一中间过程步骤大大影响了生产效率；尤其是对于需要制作具有加热功能的模具时，铺覆铜管或者电加热丝则进一步影响了生产效率。

3D打印技术属于快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术(即“积层造形法”)。3D打印技术包括三维设计过程和打印过程，其中：3D打印的设计过程是先通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印；设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式；一个STL文件使用三角面来大致模拟物体的表面；三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描来产生三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件；打印过程是打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体；这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品；打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex系列还有3D Systems'ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于3D打印技术的模具，以及制备该模具的成型方法，能够大大缩短模具成型的时间，还能够将模具的加热功能在成型时同时实现。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于3D打印技术的模具，所述模具包括由3D打印成型的模具本体，所述模具本体具有密封型腔；所述密封型腔由型腔壁构成；所述型腔壁为双层密封结构，所述双层密封结构包括内表层和外表层，所述内表层用于形成所述密封型腔，所述外表层用于形成所述模具本体的外壁；所述内表层和所述外表层之间设置有介质管路；

所述介质管路为若干根，沿所述型腔壁的延伸方向分排布置，且所述介质管路的管壁与所述内表层、所述外表层为一体结构；若干根所述介质管路相互连通，且连通后的所述介质管路的进口端和出口端均位于所述模具本体的外表面，所述进口端和所述出口端连接模温机。

为了进一步优化上述技术方案，本发明所采取的技术措施还包括：

进一步地，所述介质管路的管径为6-12mm，相邻两根所述介质管路的管路间距为40-100mm。

进一步地，所述介质管路的材质为铜。

进一步地，所述基于3D打印技术的模具还包括由3D打印成型的筋条，所述筋条设置于所述内表层和所述外表层之间并连接所述内表层和所述外表层。

进一步地，所述筋条的厚度为1-5mm；所述筋条为若干个，沿所述型腔壁的延伸方向分排布置，相邻两个所述筋条的条间距为50-150mm。

进一步地，所述筋条为十字交叉形筋条、柱形筋条或方块形筋条。

进一步地，所述筋条与所述介质管路相互间隔设置。

进一步地，所述模具本体由多个单体组装而成。

进一步地，所述单体的端部设有一体成型的法兰，所述法兰上设置有定位机构和螺栓孔，螺栓穿过所述螺栓孔以连接相邻两个所述单体；

所述单体内的介质管路的端部伸出所述单体外部形成延伸管路，所述延伸管路套设有软管，连接头固定所述软管以连通所述介质管路。

本发明还提供一种制备上述基于3D打印技术的模具的成型方法，包括以下步骤：

S1，利用电脑绘制所需模具的三维模型图纸；

S2，利用3D打印机将步骤S1绘制完成的三维模型图纸打印成型，得到所需模具的三维物理实体；

S3，对步骤S2得到的模具的三维物理实体进行密封性检测和加热功能检测。

进一步地，所述S2步骤具体如下：将步骤S1绘制完成的三维模型图纸中的所需模具按照所述3D打印机的工作台面的尺寸进行分割，得到多个单体；再利用3D打印机将多个所述单体打印成型，组装多个所述单体，得到所需模具的三维物理实体。

进一步地，所述S2步骤中，对单体进行组装时包括以下步骤：

1)将多个所述单体分别编号；

2)按照编号选取第一块单体作为基准，放置并固定在工作台面上；

3)按照编号选取第二块单体，通过定位机构将第二块单体与第一块单体对准；

4)连接头固定所述软管，以使第二块单体与第一块单体的介质管路连通；

5)螺栓穿过法兰的螺栓孔，拧紧后固定，以使第二块单体与第一块单体首尾连接；

6)按照上述方法依次连接余下单体，得到所需模具的三维物理实体。

进一步地，所述步骤S2中，密封性检测包括以下步骤：将介质管路的进口端和出口端分别连通模温机的相应接口，启动模温机，冷却水从进口端流入介质管路后从出口端流出，模具不漏水则代表模具密封性良好；

加热功能检测包括以下步骤：控制模温机升温，使进入介质管路的冷却水温度升高，模具升温则代表模具加热功能良好。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的制备基于3D打印技术的模具的成型方法，通过采用3D打印技术将电脑中设计好的模具结构与型腔一体打印，相比于传统的模具成型方法，省去了阳模成型过程，能够大大缩短模具成型的时间，尤其是面对需求的复合材料制品数量不多、或时间紧迫的情况，本发明的3D打印技术成型模具的方法大大提高了生产效率。

本发明的制备基于3D打印技术的模具的成型方法，通过设计多个单体打印成型后再组成成为一个整体的模具，能够较好地配合实际3D打印工作台面尺寸有限的情况，从而能够制备大型模具，有效地提高了本发明的适用范围。

本发明的基于3D打印技术打印成型得到的模具采用双层密封结构的型腔壁，并在双层密封结构的型腔壁内部设计介质管路，介质管路的管壁与型腔壁的内表层、外表层一体连接，从而能够在3D打印时使介质管路与型腔壁一体打印成型，介质管路再通过进口端和出口端连接模温机，使本发明的基于3D打印技术的模具在成型时能够同时实现模具的加热功能，模具的加热功能能够实现制造成品的快速固化以及固化度的提高。

本发明将型腔壁设计为双层密封结构还能够提高型腔壁的结构强度；本发明还在型腔壁的内表层与外表层之间设置筋条，筋条与介质管路共同作为型腔壁的加强支承结构，能够进一步提高型腔壁的结构强度，提高型腔壁内表层的刚度。

附图说明

图1为本发明所述的基于3D打印技术的模具的型腔壁的局部横向剖面视图；

图2为本发明所述的基于3D打印技术的模具的相邻两个单体之间的连接结构示意图；

图3为图2中箭头所示方向的相邻两个单体之间的连接结构示意图；

其中，各附图标记为：

1-内表层；2-外表层；3-十字交叉形筋条；4-介质管路；5-延伸管路；6-法兰；7-定位机构；8-螺栓孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供一种基于3D打印技术的模具，该模具包括由3D打印成型的模具本体，模具本体具有密封型腔，密封型腔由型腔壁构成；密封型腔主要是便于后续加热过程中流体的热量传递给密封腔内的空气；参见图1，型腔壁为双层密封结构，双层密封结构包括内表层1和外表层2，内表层1用于形成密封型腔，外表层2用于形成模具本体的外壁；内表层1和外表层2之间设置有介质管路；双层密封结构包括内表层1和外表层2，内表层1用于形成密封型腔，外表层2用于形成模具本体的外壁，内表层1和外表层2均具有一定的厚度；内表层1和所述外表层2之间设置有介质管路4；介质管路4为若干根，若干根介质管路4沿型腔壁的长度方向分排布置，以有效减少水阻；介质管路4的管壁与所述内表层1、外表层2为一体结构，从而使介质管路4与型腔壁的内表层1、外表层2在3D打印时能够一体打印成型；若干根介质管路4相互连通，且连通后的介质管路具有位于模具本体外表面的进口端和出口端，进口端和出口端分别连接模温机的相应接口。

模温机又叫模具温度控制机，由水箱、加热冷却系统、动力传输系统、液位控制系统以及温度传感器、注入口等器件组成；通常情况下，动力传输系统中的泵使热流体从装有内置加热器和冷却器的水箱中到达模具，再从模具回到水箱；温度传感器测量热流体的温度并把数据传送到控制部分的控制器；控制器调节热流体的温度，从而间接调节模具的温度；如果模温机在生产中，模具的温度超过控制器的设定值，控制器就会打开电磁阀接通进水管，直到热流液的温度，即模具的温度回到设定值；如果模具温度低于设定值，控制器就会打开加热器。本实施例将介质管路4设置在双层密封结构的型腔壁内部，热流体从模温机从介质管路4的进口端流入介质管路4中，从而将流体的热量传递给密封型腔内的空气，实现模具内表层1的热量传递均匀。

作为本实施例的一种优选的实施方式，在内表层1和外表层2之间设置有3D打印成型的十字交叉形筋条3，十字交叉形筋条3作为型腔壁的支承结构，连接型腔壁的内表层1和外表层2，能够提高型腔壁内表层1的刚度，并提高型腔壁的结构强度。本实施例中，介质管路4与十字交叉形筋条3相互间隔设置，由于介质管路4的管壁与型腔壁的内表层1和外表层2为一体结构，因此，介质管路4与十字交叉形筋条3能够共同作为型腔壁的加强支承结构，有助于进一步提高型腔壁的结构强度。

作为本实施例的一种优选的实施方式，参见图2和图3，当所需模具较大时，模具本体由多个单体组装而成，单体的尺寸和3D打印机的工作台面的尺寸相适应，每个单体由3D打印成型，单体的端部设置有一体打印成型的法兰6，法兰6上设置有定位机构7(该定位机构7可以是相互对应的凹槽与凸块，当相邻的两个法兰6连接时，一个法兰6上的凸块嵌入另一个法兰6上的凹槽内以实现定位)和螺栓孔8，组装连接时，螺栓穿过螺栓孔8以连接相邻两个单体；单体内的介质管路的端部伸出单体外部形成延伸管路5，组装连接时，在延伸管路5上套接软管，连接头固定软管以连通介质管路。

本实施例还提供一种制备上述基于3D打印技术的模具的成型方法，具体包括以下步骤：

1)模具的整体设计：利用电脑绘制所需模具的三维模型图纸，赋予模具型腔壁内表层1和外表层2厚度定型，计算并确定内表层1和外表层2之间的介质管路4管径和管路间距，优选为介质管路4的管径为6-12mm，介质管路4的管路间距为40-100mm，同时将介质管路4设计为管路弯曲以180度且沿型腔壁长度方向分排布置；在内表层1和外表层2之间设计筋条，筋条将内表层1和外表层2连接在一起，计算并确定筋条的厚度和条间距，优选为筋条的厚度为1-5mm，筋条的条间距为50-150mm，筋条的形状可以是十字交叉形、柱形或方块形；

2)模具的模块化分体设计：按照3D打印工作台面尺寸将步骤S1绘制完成的三维模型图纸分割成多个模块化的单体，并确保分割后的单体均能正常打印成型；对分割区内的介质管路4进行二次调整设计，使得每个单体内的介质管路4为能够相互连通成为一整体通路循环；同时，对每个单体进行单独设计，使单体的端部一体连接有法兰6，法兰6设计有适于螺栓穿过的螺栓孔8，对法兰6的宽度、厚度进行定型，并在相邻连接的法兰6上设计定位机构7；对每个单体内的介质管路4进行单独设计，使介质管路4的端部伸出单体外部形成延伸管路5；

3)模具的打印成型：利用3D打印机将绘制好并分割设计完成的多个模块化的单体打印成型；其中，将三维模型图纸3D打印成型得到三维物理实体的具体打印步骤为：首先设计出所需零件的计算机三维模型(数字模型、CAD模型)，然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散(习惯称为分层)，把原来的三维CAD模型变成一系列的层片，再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码，最后由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体；

4)模具的组装拼接：将多个所述单体按照一定的编号顺序分别编号；然后按照编号选取第一块单体作为基准，放置固定在工作台面上，并做好相应的固定；然后按照编号选取第二块单体，通过定位机构7将第二块单体与第一块单体对准，检查并保证模具单体间的上表面平顺；然后将软管套设在介质管路4的延伸管路5上，连接头固定两个相邻延伸管路5上的软管，固定连接完成后进行漏水测试，以确保相邻两个单体的介质管路4连通且不漏水；然后将螺栓穿过相邻两个单体上法兰6的螺栓孔8，拧紧后固定；重复按照上述步骤连接余下的单体，最后得到组装完成的所需模具的三维物理实体；

5)模具的加热功能检测：首先将介质管路4的进口端和出口端分别连通模温机的相应接口，启动模温机，冷却水从进口端流入介质管路4后从出口端流出，模具不漏水则代表模具密封性良好；然后控制模温机升温，使进入介质管路4的冷却水温度升高，模具升温则代表模具加热功能良好。

上述制备上述基于3D打印技术的模具的成型方法中3D打印技术为现有技术，本发明中不作多述；步骤1)中，型腔壁内表层1和外表层2厚度、筋条3厚度、筋条3具体排布具体应结合实际情况通过专业的结构软件进行载荷承载能力详细分析计算，本实施例仅仅是提供针对一些常用的情况提供上述优选数据，不作为本发明的范围限制；步骤4)中，软管优选为塑料软管，连接头优选为喉箍，塑料软管与介质管路直接相连，首先在介质管路上环缠生料带，然后将塑料软管套在介质管路上，最后在塑料软管上采用喉箍锁紧，可防止介质管路漏水。

由上述实施例可知，本发明的制备基于3D打印技术的模具的成型方法，通过采用3D打印技术将电脑中设计好的模具结构与型腔一体打印，相比于传统的模具成型方法，省去了阳模成型过程，能够大大缩短模具成型的时间，尤其是面对需求的复合材料制品数量不多、或时间紧迫的情况，本发明的3D打印技术成型模具的方法大大提高了生产效率。

由上述实施例可知，本发明的制备基于3D打印技术的模具的成型方法，通过设计多个单体打印成型后再组成成为一个整体的模具，能够较好地配合实际3D打印工作台面尺寸有限的情况，从而能够制备大型模具，有效地提高了本发明的适用范围。

由上述实施例可知，本发明的基于3D打印技术打印成型得到的模具采用双层密封结构的型腔壁，并在双层密封结构的型腔壁内部设计介质管路，介质管路的管壁与型腔壁的内表层、外表层一体连接，从而能够在3D打印时使介质管路与型腔壁一体打印成型，介质管路再通过进口端和出口端连接模温机，使本发明的基于3D打印技术的模具在成型时能够同时实现模具的加热功能，模具的加热功能能够实现制造成品的快速固化以及固化度的提高。

由上述实施例可知，本发明将型腔壁设计为双层密封结构还能够提高型腔壁的结构强度；本发明还在型腔壁的内表层与外表层之间设置筋条，筋条与介质管路共同作为型腔壁的加强支承结构，能够进一步提高型腔壁的结构强度，提高型腔壁内表层的刚度。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种基于3D打印技术的模具，其特征在于，包括由3D打印成型的模具本体，所述模具本体具有密封型腔；所述密封型腔由型腔壁构成；所述型腔壁为双层密封结构，所述双层密封结构包括内表层和外表层，所述内表层用于形成所述密封型腔，所述外表层用于形成所述模具本体的外壁；所述内表层和所述外表层之间设置有介质管路；

所述介质管路为若干根，沿所述型腔壁的延伸方向分排布置，且所述介质管路的管壁与所述内表层、所述外表层为一体结构；若干根所述介质管路相互连通，且连通后的所述介质管路的进口端和出口端均位于所述模具本体的外表面，所述进口端和所述出口端连接模温机。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的模具，其特征在于，所述介质管路的管径为6-12mm，相邻两根所述介质管路的管路间距为40-100mm。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的模具，其特征在于，还包括由3D打印成型的筋条，所述筋条设置于所述内表层和所述外表层之间并连接所述内表层和所述外表层。

4.根据权利要求3所述的基于3D打印技术的模具，其特征在于，所述筋条的厚度为1-5mm；所述筋条为若干个，沿所述型腔壁的延伸方向分排布置，相邻两个所述筋条的条间距为50-150mm。

5.根据权利要求3所述的基于3D打印技术的模具，其特征在于，所述筋条为十字交叉形筋条、柱形筋条或方块形筋条。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的模具，其特征在于，所述模具本体由多个单体组装而成。

7.根据权利要求6所述的基于3D打印技术的模具，其特征在于，所述单体的端部设有一体成型的法兰，所述法兰上设置有定位机构和螺栓孔，螺栓穿过所述螺栓孔以连接相邻两个所述单体；

所述单体内的介质管路的端部伸出所述单体外部形成延伸管路，所述延伸管路套设有软管，连接头固定所述软管以连通所述介质管路。

8.一种制备如权利要求1-7中任意一项所述的基于3D打印技术的模具的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用电脑绘制所需模具的三维模型图纸；

S2，利用3D打印机将步骤S1绘制完成的三维模型图纸打印成型，得到所需模具的三维物理实体；

S3，对步骤S2得到的模具的三维物理实体进行密封性检测和加热功能检测。

9.根据权利要求8所述的基于3D打印技术的模具的成型方法，其特征在于，所述S2步骤具体如下：将步骤S1绘制完成的三维模型图纸中的所需模具按照所述3D打印机的工作台面的尺寸进行分割，得到多个单体；再利用3D打印机将多个所述单体打印成型，组装多个所述单体，得到所需模具的三维物理实体。

10.根据权利要求9所述的基于3D打印技术的模具的成型方法，其特征在于，所述S2步骤中，对所述单体进行组装时包括以下步骤：

1)将多个所述单体分别编号；

2)按照编号选取第一块单体作为基准，放置并固定在工作台面上；

3)按照编号选取第二块单体，通过定位机构将第二块单体与第一块单体对准；

4)连接头固定所述软管，以使第二块单体与第一块单体的介质管路连通；

5)螺栓穿过法兰的螺栓孔，拧紧后固定，以使第二块单体与第一块单体首尾连接；

6)按照上述方法依次连接余下单体，得到所需模具的三维物理实体。