CN111417501A - 用于制造零件的模具组件和生产模具组件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造零件的模具组件，包括第一与第二半模和模具温度控制系统。第一半模至少包括第一模腔和第一冷却剂通道。第二半模至少包括第二模腔和第二冷却剂通道。模具温度控制系统与第一与第二半模的第一与第二冷却剂通道流体连通。模具温度控制系统包括流体、控制流体温度的装置和使流体循环通过模具温度控制系统和第一与第二冷却剂通道的泵。

Description

用于制造零件的模具组件和生产模具组件的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年11月27日提交的美国临时专利申请No.62/591,015的权益，该申请通过引用全部并入本文。
技术领域
本申请涉及用于制造零件的成型，更具体地涉及一种采用各种工艺过程来生产用于制造零件的模具组件的方法。
背景技术
本部分的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能构成或不构成现有技术。
设备制造商不断地寻找新的方式来提高产品周期时间并缩短产品设计过程。对于具有数千个零件的复杂组件要提供最佳质量的产品时，需要多次原型迭代或试产。
在生产诸如金属冲压件或注塑成型塑料零件的生产级零件中，生产级成型和模具比较昂贵，构建时间长。因此，在生产原型或试产级零件时，生产级成型和模具不是一种可行的选择。因此，试产成型有利于生产有限数量的功能几乎相同的零件。然而，试产成型仍具有较长的交货期，这还是阻止了试产过程的加速。而且，尽管比生产成型便宜，但试产成型还是很昂贵的，从而进一步给减少设备制造工艺成本的能力施加了压力。
虽然当前的试产成型和模具具有各种用途和性能，但是它们无法进一步提高零件生产的效率、成本和产品实用性。因此，虽然当前的成型、模具和工艺可用于其预期目的，但是在本领域还存在使成型、模具和制造工艺得以改进的空间，该空间可提供改进的投资成本、构建时间、设计灵活性和质量。
发明内容
本公开描述了一项发明，该发明允许使用高性能塑料长丝、采用增材制造来制作模具。采用CAD(计算机辅助设计)获得模具，并且在必要时，可根据工件的型号和打印方向策略性地设计冷却通道。模具是利用热塑性材料的FDM(熔融沉积成型)进行3D打印的。然后根据应用情况，3D打印的模具可包括后处理，如必要时进行CNC加工以达到GD&T(集合尺寸和公差)标准。如果包括冷却通道，则在高压下灌注并固化液体密封剂，以确保在升高的压力下冷却通道不漏液。本发明可用于各种制造应用，包括冲压、发泡、注塑成型、压缩成型、树脂转移成型(加真空辅助)、热成形、真空成形、熔模铸造、旋压铸造和吹塑成型。受益于本发明以较低成本给传统方法提供快速迭代使得容易改变设计和制造。
本发明具有很高的周转率，在1-2周内生产，成本比传统金属成型低得多。通过支持大部分的成型/成型方法，包括冲压、发泡、注塑成型、压缩成型、树脂转移成型/真空辅助树脂转移成型、热成形/真空成形、熔模铸造(作为预制(件)牺牲层)、旋压铸造和吹塑成型，本发明还与各种制造业相关联，特别对于热固性树脂和填充预制(件)，由于模具必须是热的，所以不能进行实体的转移模塑。
本发明允许高的设计灵活性，并且通过将增材制造与减材制造相结合(需要时)，模具的生产会比使用传统的金属模具制作工艺更快、更便宜。这对于少量零件、设计迭代、原型制作以及为产品进化和创新创建新模型等，其模具的制作是负担得起的。
本发明基于DFM(面向制造的设计)法，这确保了与增材制造制作的完全兼容性，以及易于与构成模具一部分的硬件组装，以便将其并入注塑机或其它模具成型机。
本发明可以调整以匹配任意商用成型机硬件。
本发明与加压的冷却剂系统兼容，并且适用于工业机械。
本发明可采用增材制造法由高温热塑性复合材料制成。这对本发明来说是关键优点，因为热塑性塑料比金属更便宜、更容易起作用。这也允许容易复制。
先在计算机辅助设计(CAD)软件中设计本发明，以创建模型。再根据成型目的，设计带有或不带有冷却通道的模型。
一旦模型完成，将其引入至切片软件中，该切片软件用以根据材料生成带有特定打印设置的FDM打印路径，打印设置包括打印温度、打印速度、打印挤出、层高度与宽度。这也称为G代码，它可传送至能够打印零件体积的打印机中。根据使用的材料，打印机必须具有加热的床和加热的构建体积。
打印一旦完成，从打印机中除去打印件。还涉及后处理步骤来完成本发明。首先采用电脑数值控制(CNC)机来除去牺牲(支持件/基底/边缘/裙板/筏板)材料。如果在模具内设计任意冷却通道，则清洁入口和出口并进行攻丝，以使冷却剂接头和软管穿线。聚合物挤出3D打印由许多层构成，并且通常不耐湿，因为层会吸收湿气，在层之间形成有空洞并使冷却剂泄漏，从而导致模具过热失效。我们开发了一种灌注3D打印零件的工艺，并创建了一个能够承受加压冷却剂但不会泄漏的模具。
灌注模具的工艺需要能填充冷却剂通道的可流动材料。一旦填满，流体在模具内在60至100psi之间加压至少60秒。在该灌注步骤之后，通过将空气吹过模具通道来使任意残余流体从模具中被除去，以确保没有端口被残余流体堵塞。现通过固化工艺设置可流动材料。应注意的是，如果不需要冷却通道，则我们的发明将在模具侧面敲打一个小的部分，并用可流动材料填充，以增加支撑和功能性。
另一种密封模具的方法是电镀和抛光。这可以通过使用与电镀兼容的热塑性材料或采用允许电镀外模表面的多步骤工艺来完成。该步骤会发生在表面并且是一个附加的抛光步骤，这个步骤可以帮助实现A级光洁度。其可提供汽车和其它行业所需的A级表面以及机械性能增强。
一旦密封过程完成，模具即可使用。可用于灌注/密封工艺过程的材料：高流量、高温稳定性的双组份环氧树脂、陶瓷原料(可流动)，和电镀材料。
本发明提供了一种用于制造零件的模具组件。模具组件包括第一与第二半模和模具温度控制系统。第一半模至少包括第一模腔和第一冷却剂通道，第二半模至少包括第二模腔和第二冷却剂通道。模具温度控制系统与第一与第二半模的第一与第二冷却剂通道流体连通。模具温度控制系统包括流体、控制流体温度的装置、以及使流体循环通过模具温度控制系统及第一和第二冷却剂通道的泵。
在本发明的一个示例中，模具组件进一步包括灌注并固化在第一模腔的第一表面和第二模腔的第二表面的密封剂。
在本发明的另一个示例中，模具组件进一步包括灌注并固化在第一冷却剂通道的第三表面和第二冷却剂通道的第四表面的密封剂。
在本发明的再一个示例中，第一与第二冷却剂通道各自包括第一截面和第二截面，并且其中第一截面的尺寸和形状与第二截面不同。
在本发明的再一个示例中，密封剂包括双组份高温环氧树脂和可流动陶瓷原料中的一者。
在本发明的再一个示例中，第一模腔的第一表面和第二模腔的第二表面包括沉积金属。
本发明还提供了一种制造模具组件的方法。该方法包括：创建模具组件表面的第一计算机辅助设计(CAD)模型，并且其中该表面包括成型产品的最终形状。向所述表面的第一CAD模型添加特征以创建模具组件的第二CAD模型。将第二CAD模型转化为供三维打印机使用的打印路径文件。使用打印路径文件打印第二CAD模型的实体模型。
在本发明的一个示例中，该方法进一步包括从实体模型中除去过量的材料。
在本发明的另一个示例中，该方法进一步包括将第二CAD模型转化为工具切割路径，并加工实体模型。
在本发明的再一个示例中，该方法进一步包括用密封剂灌注实体模型的加工面。
在本发明的再一个示例中，第一CAD模型的特征包括分型面、冷却剂通道、喷销孔、通气孔和灌注通道中的至少一者。
在本发明的再一个示例中，用密封剂灌注实体模型的加工面进一步包括用密封剂灌注加工面和冷却剂通道，并将冷却剂通道在大约60PSI至100PSI之间加压30秒。
在本发明的再一个示例中，用密封剂灌注实体模型的加工面进一步包括用包含高流量、高温的双组份环氧树脂和可流动陶瓷原料中的一者的密封剂灌注冷却剂通道的加工面，并将冷却剂通道在大约60PSI至100PSI之间加压30秒。
在本发明的再一个示例中，该方法进一步包括对模具组件的表面进行电镀、抛光和加工中的其中一个步骤。
本发明还提供了另一种制造模具组件的方法。该方法包括：创建模具组件表面的第一计算机辅助设计(CAD)模型，并且其中该表面包括成型产品的最终形状。向表面的第一CAD模型添加特征以创建模具组件的第二CAD模型，并且其中该特征包括分型面、冷却剂通道、喷销孔、通气孔和灌注通道中的一者。将第二CAD模型转化为供三维打印机使用的打印路径文件。使用打印路径文件打印第二CAD模型的实体模型。
在本发明的一个示例中，该方法进一步包括从所述实体模型中除去过量的材料。
在本发明的另一个示例中，该方法进一步包括将第二CAD模型转化为工具切割路径，并加工实体模型。
在本发明的再一个示例中，该方法进一步包括用密封剂灌注实体模型的加工面。
在本发明的再一个示例中，用密封剂灌注实体模型的加工面进一步包括用密封剂灌注冷却剂通道的加工面，并将冷却剂通道在大约60PSI至100PSI之间加压30秒。
在本发明的再一个示例中，用密封剂灌注实体模型的加工面进一步包括用包含高流量、高温的双组份环氧树脂和可流动陶瓷原料中的一者的密封剂灌注冷却剂通道的加工面，并将冷却剂通道在大约60PSI至100PSI之间加压30秒。
在本发明的再一个示例中，该方法进一步包括对模具组件的表面进行电镀、抛光和加工中的其中一个步骤。
根据本文提供的描述，更多的适用领域将变得显而易见。应当理解，本说明书和具体示例仅用于说明目的，并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于说明目的，但并不旨在以任何方式限制本发明的范围。
图1为描绘了根据本发明原理的一种制造模具组件的方法的流程图；
图2为根据本发明原理的一种采用塑料注射成型工艺制造物体的半模组件的视图；
图3为根据本发明原理的一种采用塑料注射成型工艺制造物体的模具组件的端视图；
图4为根据本发明原理的图3所示模具组件的截面图；以及
图5为根据本发明原理的图2所示模具组件的截面图。
具体实施方式
以下说明在本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
现参考图2和图3，示出了一种用于吹塑成型工艺的模具或模具组件10并且现对其进行说明。在不偏离本发明范围的情况下，模具组件10或相似组件或模具组件可替换地在另一类型的制造工艺中使用。模具组件10包括第一或上半部分12、第二或下半部分14和模具温度控制系统16。更具体地，模具组件的上、下半部分12、14至少包括至少零件腔体18和与模具温度控制系统16连通的多个冷却剂通道20。将冷却剂通道20布置为使模具组件10的工作温度尽可能一致。例如，由于冷却剂通道20是由3D打印机打印的，所构建的冷却剂通道20的各种形状、尺寸和截面比传统加工的模具内的冷却剂通道大得多。通过改变具体的冷却剂通道20的截面，流过冷却剂通道的冷却剂的流速会有不同。甚至可打印冷却剂通道20以产生现有模具构建方法中不可能存在的传热效应。
现转到图4，示出了图3所示的模具组件的冷却剂通道20的表面22的截面，并且现将对其进行描述。由于模具组件是采用3D打印或增材工艺构建的，则模具组件主要由融合在一起的层24创建，在未完全融合在一起的层24之间会形成有一些空洞或空位26。表面22进一步包括加压并固化的密封剂28，该密封剂28可在层24之间延伸并覆盖表面22，从而形成可承受高压和高温但不变形的通道。在本示例中，密封剂为双组份高温固化环氧树脂。然而，在不偏离本发明范围的情况下，其它类型的密封剂也可包含在模具组件10中。
现转到图5，示出了图2所示的模具组件的零件腔体18的表面30的截面，并且现将对其进行描述。由于模具组件是采用3D打印或增材工艺构建的，则模具组件主要由融合在一起的层24创建，在未完全融合在一起的层24之间会形成有一些空洞或空位26。而且，根据层24的厚度，某些应用可要求进行附加的加工以实现所要求的形状和公差。例如，示出了已进行了CNC加工以实现模腔18的指定形状的表面30。表面30进一步包括加压并固化的密封剂28，该密封剂28可在层24之间延伸。此外，在某些应用中，一旦层30被密封，可包括一层沉积金属32以提供改进的耐磨性、冲击强度和表面光洁度。
参考图1，示出了一种创建用于采用各种制造工艺制造零件的模具或模具组件的方法100。其中所述的方法100用于创建塑料注射成型工艺中使用的模具组件。然而，也可通过采用本文所述的方法100构建在许多其它制造工艺中使用的许多其它类型的模具组件。例如，在不偏离本发明范围的情况下，可构建模具或模具组件以用于金属冲压、发泡、注射拉伸吹塑成型、压缩成型、金属铸造砂芯铸造、树脂传递成型、热成形、熔模铸造、旋压铸造和吹塑成型。
方法100包括制作模具组件的表面的CAD模型的第一步102。可采用表面扫描模具创建CAD模型，该表面扫描模具使用激光测量装置将实体主零件模型转化为数字表面数据。同样地，可从零件的CAD模型部分地创建CAD模型。一旦创建了模具的表面的CAD模型，则在第二步骤104，将特征添加至表面数据，包括但不限于模型设计特征，如分型面、冷却剂通道、喷销孔、通气孔和灌注通道，从而创建了模具组件的CAD模型。
接下来，第三步骤106使用转化或切片软件，生成模具组件的CAD模型的打印路径并将打印路径传输至3D打印机。第四步骤108使用3D打印机打印模具组件的实体模型。在某些应用中，3D打印工艺包括使用高温、高性能热塑性长丝，该高温、高性能热塑性长丝可生产能够适用高应力、高温制造工艺的高强度打印零件。在不偏离本发明范围的情况下，也可使用旨在增加模具组件的实体模型的强度和耐久性的其它3D打印材料和工艺。
第五步骤110采用CNC机械或其它精准加工成型方法将过量的材料从模具组件的实体模型中除去。第六步骤112自模具组件的CAD模型中创建模具路径，以用于对模具表面进行抛光加工，以在模具表面实现准确的尺寸和表面抛光度规格。执行附加的加工以创建或改进特征，包括冷却液通道连接。第七步骤114通过用加压密封剂灌注模具来密封模具。尤其是，冷却液通道填充密封剂，并在大约60PSI至100PSI之间加压30秒，优选至少60秒。从冷却液通道中除去残余的密封剂后，已灌注至冷却液通道壁空洞中的剩下的密封剂原位固化。优选的密封剂是高流量、高温双组分环氧树脂和可流动陶瓷原料中的一者。然而，在不偏离本发明范围的情况下，也可使用其它可流动、可固化的密封剂。密封模具表面的第七步骤114可包括将金属电沉积或电镀至冷却剂通道的表面上。第八步骤116可根据特定零件规范的要求增强模具表面的表面光洁度。例如，采用电镀对模具表面进行镀造，因为可能需要成品零件具有一定的尺寸规格，然后进行抛光或加工。以这种方式，特定的纹理也可以通过随后对镀造的模具表面的蚀刻或其它处理而包含在模具的表面光洁度处理中。
本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，未脱离本发明主旨的变化都属于本发明的范围。这些变化不应被认为是脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于制造零件的模具组件，所述模具组件包括：
第一半模与第二半模，所述第一半模至少包括第一模腔和第一冷却剂通道，并且所述第二半模至少包括第二模腔和第二冷却剂通道；
模具温度控制系统，所述模具温度控制系统与所述第一半模和第二半模的第一冷却剂通道和第二冷却剂通道流体连通，以及
其中，所述模具温度控制系统包括流体、控制所述流体的温度的装置、和使所述流体循环通过所述模具温度控制系统以及所述第一冷却剂通道和第二冷却剂通道的泵。
2.根据权利要求1所述的模具组件，进一步包括灌注并固化在所述第一模腔的第一表面和所述第二模腔的第二表面的密封剂。
3.根据权利要求2所述的模具组件，进一步包括灌注并固化在所述第一冷却剂通道的第三表面和所述第二冷却剂通道的第四表面的密封剂。
4.根据权利要求3所述的模具组件，其中所述第一冷却剂通道与第二冷却剂通道各自包括第一截面和第二截面，并且其中所述第一截面的尺寸和形状与第二截面不同。
5.根据权利要求4所述的模具组件，其中所述密封剂包括双组份高温环氧树脂和可流动陶瓷原料中的一者。
6.根据权利要求5所述的模具组件，其中所述第一模腔的第一表面和所述第二模腔的第二表面包括沉积金属。
7.一种制造模具组件的方法，所述方法包括：
创建模具组件表面的第一计算机辅助设计(CAD)模型，并且其中所述表面包括成型产品的最终形状；
向所述表面的第一CAD模型添加特征以创建所述模具组件的第二CAD模型；
将所述第二CAD模型转化为供三维打印机使用的打印路径文件，以及
使用所述打印路径文件打印所述第二CAD模型的实体模型。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括从所述实体模型中除去过量的材料。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将所述第二CAD模型转化为工具切割路径，并加工所述实体模型。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括用密封剂灌注所述实体模型的加工面。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一CAD模型的特征包括分型面、冷却剂通道、喷销孔、通气孔和灌注通道中的至少一者。
12.根据权利要求11所述的方法，其中用密封剂灌注所述实体模型的加工面进一步包括用密封剂灌注所述加工面和所述冷却剂通道，并将所述冷却剂通道在大约60PSI至100PSI之间加压30秒。
13.根据权利要求11所述的方法，其中用密封剂灌注所述实体模型的加工面进一步包括用包含高流量、高温的双组份环氧树脂和可流动陶瓷原料中的一者的密封剂灌注所述冷却剂通道的加工面，并将所述冷却剂通道在大约60PSI至100PSI之间加压30秒。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括对所述模具组件的表面进行电镀、抛光和加工中的其中一个步骤。
15.一种制造模具组件的方法，所述方法包括：
创建模具组件表面的第一计算机辅助设计(CAD)模型，并且其中所述表面包括成型产品的最终形状；
向所述表面的第一CAD模型添加特征以创建所述模具组件的第二CAD模型，并且其中所述特征包括分型面、冷却剂通道、喷销孔、通气孔和灌注通道中的一者；
将所述第二CAD模型转化为供三维打印机使用的打印路径文件，以及
使用所述打印路径文件打印所述第二CAD模型的实体模型。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括从所述实体模型中除去过量的材料。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将所述第二CAD模型转化为工具切割路径，并加工所述实体模型。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括用密封剂灌注所述实体模型的加工面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中用密封剂灌注所述实体模型的加工面进一步包括用包含高流量、高温的双组份环氧树脂和可流动陶瓷原料中的一者的密封剂灌注所述冷却剂通道的加工面，并将所述冷却剂通道在大约60PSI至100PSI之间加压30秒。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括对所述模具组件的表面进行电镀、抛光和加工中的其中一个步骤。
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