CN111590074B - 基于金属3d打印多孔结构随形冷却水路的制造方法 - Google Patents

基于金属3d打印多孔结构随形冷却水路的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，包括设计多孔结构随形冷却水路的三维模型，三维模型包括设置在模具本体上的冷却水道和多个散热单元，各个散热单元沿冷却水道的长度方向依次设置在冷水水道的内腔中；其中，散热单元包括支撑环和多个散热杆，各个散热杆沿支撑环的周向设置，支撑环的边沿通过散热杆与冷却水道的内壁连接；随后将该三维模型通过3D打印的方式打印成完整的模具本体。这种多孔结构随形冷却水路能增加冷却液体与冷却水道的接触面积，从而提升散热效果，提高生产效率；同时在金属3D打印的过程中可以对模具的整体起到支撑结构的作用，减少增材制造过程中材料出现塌陷的情况。

Description

基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法
技术领域
本发明涉及模具制造领域，特别涉及一种基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法。
背景技术
注塑生产过程中，在将原料充填进模具塑形后，需等待原料凝固且温度下降到顶出温度时，注塑过程才基本结束，才能将产品取出。传统模具的冷却系统一般采用直线型冷却水路，当产品的结构和表面形状较为复杂时，传统冷却系统在生产过程中会出现冷却效率不佳，不仅生产效率低下，并且这种注塑产品还发生翘曲或凹陷，产生废品，因此注塑模具的冷却效率对产品的生产质量和效率有着至关重要的作用。为了解决此类问题，目前出现了随形冷却水路的设计，相较于传统直线水路，随形冷却水路设计时会根据产品表面变化进行制造，使随形冷却水路能均匀贴近于模腔表面，增加散热面积，避免模具热量在某一处聚集，从而极大地提高冷却效率和均匀性。随形冷却水路的形状具有多变性，如果采用传统的机械加工方式制造随形冷却水路造成极高的困难度。近些年来随着金属增材制造技术（3D打印）逐渐成熟，出现了运用金属增材制造技术打印成型的随形冷却水路。金属增材制造在成型相对简单的随形冷却水路时具有明显的优点：工序简单，成型迅速，一体性强和可靠度高；但基于金属增材制造的随形冷却水路通常由于形状过于复杂，缺乏足够的支撑可能会对模具的结构强度与精度会受到影响，严重时模具内部会发生坍塌，因此制造难度较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，这种多孔结构随形冷却水路能增加冷却液体与冷却水道的接触面积，从而提升散热效果，提高生产效率；同时在金属3D打印的过程中可以对模具的整体起到支撑结构的作用，减少增材制造过程中材料出现塌陷的情况。
为了解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）设计多孔结构随形冷却水路的三维模型，包括设置在模具本体上的冷却水道和多个散热单元，各个散热单元沿冷却水道的长度方向依次设置在冷水水道的内腔中；其中，散热单元包括支撑环和多个散热杆，各个散热杆沿支撑环的周向设置，支撑环的边沿通过散热杆与冷却水道的内壁连接；
（2）将三维模型按照设定层厚进行切片处理，获得多孔结构随形冷却水路模具的切片数据，分层后获得每层中的轮廓和与该轮廓对应的材料信息，设计打印方式；
（3）将模具及多孔结构随形冷却水路所用的粉末材料进行筛粉及除湿处理，置于选区激光熔化增材制造设备的供粉罐中；
（4）根据设定的切片数据将供粉罐中的金属粉末均匀铺在成型基板上，预热成型基板至设定温度，通过选区激光熔化进行成型；
（5）完成一次铺粉并激光熔化后，成型基板下降一个铺粉层厚度，重复步骤（3）直至整个多孔结构随形冷却水路的模具完整成型；
（6）将整个模具连同基板一起取下，将模具从成型基板上分离。
上述多孔结构随形冷却水路的制造方法中，设计多孔结构随形冷却水路的三维模型时，将多孔结构随形冷却水路设为冷却水道的内腔中依次设置多个散热单元的结构，散热单元能够对冷却水道起到支撑作用，在3D打印的过程中能有效减少因悬臂结构过长而导致的坍塌或冷却水道外表面挂渣现象的发生，同时，散热单元设置在冷却水道中，能有效增加多孔结构随形冷却水路与冷却液体的接触面积，使冷却液体能够吸收更多的热量，从而提高多孔结构随形冷却水路的散热效果，缓解随形冷却水路局部过热的问题，使模具整体散热效果更均匀、迅速，提升模具的冷却效率，缩短冷却时间，减少生产成本。
上述制造方法中，对多孔结构随形冷却水路根据需要进行三维模型设计后，获得切片数据，并根据数据使用选区激光熔化增材制造设备逐层进行激光熔化成型，直至整个模具完整成型。在模具成型并取下后，需要清理成型基板上残余的金属粉末，并通过气枪清洗冷却水路内部的粉末，随后将模具与成型基板一起进行热处理，去除模具内部的残留应力；将模具从成型基板上分离可以采用线切割的方式。当模具使用结束后，同样需要通入惰性气体（通常为氮气或氩气），从而排除随形冷却水路内的水汽和氧气，方便进行密封保存，以防生锈，提高该多孔结构随形冷却水路模具的使用寿命。
优选方案中，所述步骤（1）和步骤（2）中设计多孔结构随形冷却水路的三维模型及获取其切片数据的方法，是先对模具工况环境进行实况仿真分析，找出积热区域，随后根据积热区域分布进行随形冷却水路设计，随后构建散热单元，使散热单元沿着随形冷却水路的长度方向均匀排列，完成三维模型的构建，随后将构建的三维模型文件转换成STL格式并导入到Magics软件中进行切片处理，从而获得多孔结构随形冷却水路模具的切片数据。
优选方案中，所述步骤（4）中，还需要向所述选区激光熔化增材制造设备中充入惰性气体，直至含氧量低于1000ppm；惰性气体使用氮气或氩气。
优选方案中，所述金属粉末采用球形模具钢粉，粒径范围为17-53μm。
优选方案中，所述选区激光熔化增材制造设备中采用的激光器为光纤激光器，光纤激光器的成型工艺参数波长为1070±10nm、激光功率为260W、扫描速度为1200mm/s、扫描间距为0.08mm和光斑直径为0.1mm。
优选方案中，当冷却水路的直径超过10mm时，所述散热单元包括至少两个支撑环和多个散热杆，相邻支撑环之间通过散热杆连接，各个支撑环的边沿分别通过相应的散热杆与所述冷却水道的内壁连接。
优选方案中，所述多孔结构随形冷却水路还包括多个连接杆，相邻所述支撑环之间通过连接杆连接，支撑环与所述散热杆的交点作为连接杆与支撑环连接位置。
进一步的优选方案中，连接杆的长度小于2mm。各个支撑环之间均通过多个连接杆连接，连接杆、散热杆均能增大与冷却液体的接触面积从而提高散热效率，也都对支撑环起到支撑作用，进一步提升散热单元对冷却水道的支撑能力。
优选方案中，所述支撑环呈圆形或呈边数大于6的正多边形，与支撑环对应的散热杆数量大于6。支撑环呈圆形或呈边数大于6的正多边形在提高散热面积的同时，能够尽可能减少流体扰动；通常，呈正多边形的支撑环对应的散热杆数量与该支撑环的边数相同，并且各个散热杆分别设置在该支撑环的顶点位置。
优选方案中，所述支撑环和散热杆的横截面呈圆形或椭圆形，并且支撑环和散热杆的横截面直径小于1mm。
优选方案中，所述散热杆的长度小于2mm。
本发明的有益效果在于：这种多孔结构随形冷却水路能增加冷却液体与模具的接触面积，从而提升散热效果，提高生产效率；同时在模具金属3D打印的过程中可以对模具的整体起到支撑结构的作用，减少增材制造过程中材料出现塌陷的情况。
附图说明
图1为本发明实施例1中多孔结构随形冷却水路的结构示意图；
图2为本发明实施例1中多孔结构随形冷却水路横截面的结构示意图；
图3为本发明实施例2中多孔结构随形冷却水路横截面的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：
实施例1
如图1-2所示的一种基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路，包括设置在模具本体上的冷却水道1、多个散热单元2和多个连接杆3，各个散热单元2沿冷却水道1的长度方向依次设置在冷却水道1的内腔中；其中，散热单元2包括支撑环201和多个散热杆202，各个散热杆202沿支撑环201的周向设置，支撑环201的边沿通过散热杆202与冷却水道1的内壁连接；相邻支撑环201之间通过连接杆3连接，支撑环201与散热杆202的交点作为连接杆3与支撑环201连接位置。
上述多孔结构随形冷却水路中，冷却水道1的横截面为圆形，冷却水道1的形状根据产品表面进行设计，与产品的模腔表面贴合，从而具有更好的冷却效果。通过在冷却水道1的内腔中依次设置多个散热单元2，散热单元2能够对冷却水道1起到支撑作用，在制造过程中能有效减少因悬臂结构过长而导致的坍塌或冷却水道1外表面挂渣现象的发生，同时，散热单元2设置在冷却水道1中，能有效增加多孔结构随形冷却水路与冷却液体的接触面积，使冷却液体能够吸收更多的热量，从而提高多孔结构随形冷却水路的散热效果，缓解随形冷却水路局部过热的问题，使模具整体散热效果更均匀、迅速，提升模具的冷却效率，缩短冷却时间，减少生产成本。各个支撑环201之间均通过多个连接杆3连接，连接杆3、散热杆202均能增大与冷却液体的接触面积从而提高散热效率，也都对支撑环201起到支撑作用，进一步提升散热单元2对冷却水道1的支撑能力。
支撑环201呈圆形，与支撑环201对应的散热杆202为6个，支撑环201和散热杆202的横截面呈圆形。支撑环201呈圆形能够尽可能减少流体扰动；通常，呈正多边形的支撑环201对应的散热杆202数量与该支撑环201的边数相同，并且各个散热杆202分别设置在该支撑环201的顶点位置。
上述基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，包括以下步骤：
（1）设计上述多孔结构随形冷却水路的三维模型；
（2）将三维模型按照设定层厚进行切片处理，获得多孔结构随形冷却水路模具的切片数据，分层后获得每层中的轮廓和与该轮廓对应的材料信息，设计打印方式；
（3）将模具及多孔结构随形冷却水路所用的粉末材料进行筛粉及除湿处理，置于选区激光熔化增材制造设备的供粉罐中；
（4）根据设定的切片数据将供粉罐中的金属粉末均匀铺在成型基板上，预热成型基板至设定温度，通过选区激光熔化进行成型；
（5）完成一次铺粉并激光熔化后，成型基板下降一个铺粉层厚度，重复步骤（3）直至整个多孔结构随形冷却水路的模具完整成型；
（6）将整个模具连同基板一起取下，将模具从成型基板上分离。
上述制造方法中，对多孔结构随形冷却水路根据需要进行三维模型设计后，获得切片数据，并根据数据使用选区激光熔化增材制造设备逐层进行激光熔化成型，直至整个模具完整成型。在模具成型并取下后，需要清理成型基板上残余的金属粉末，并通过气枪清洗冷却水路内部的粉末，随后将模具与成型基板一起进行热处理，去除模具内部的残留应力；将模具从成型基板上分离可以采用线切割的方式。
步骤（1）和步骤（2）中设计多孔结构随形冷却水路的三维模型及获取其切片数据的方法，是先对模具工况环境进行实况仿真分析，找出积热区域，随后根据积热区域分布进行随形冷却水路设计，随后构建散热单元，使散热单元沿着随形冷却水路的长度方向均匀排列，完成三维模型的构建，随后将构建的三维模型文件转换成STL格式并导入到Magics软件中进行切片处理，从而获得多孔结构随形冷却水路模具的切片数据。
步骤（4）中，还需要向所述选区激光熔化增材制造设备中充入惰性气体，直至含氧量低于1000ppm；惰性气体使用氮气。
金属粉末采用球形模具钢粉，粒径为17μm。
选区激光熔化增材制造设备中采用的激光器为光纤激光器，光纤激光器的成型工艺参数波长为1070nm、激光功率为260W、扫描速度为1200mm/s、扫描间距为0.08mm和光斑直径为0.1mm。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：如图2所示，支撑环201’呈边数为6的正多边形。

Claims (7)

1.基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）设计多孔结构随形冷却水路的三维模型，多孔结构随形冷却水路包括设置在模具本体上横截面为圆形的冷却水道、多个散热单元和多个连接杆，各个散热单元沿冷却水道的长度方向依次设置在冷却水道的内腔中；其中，散热单元包括支撑环和多个散热杆，各个散热杆沿支撑环的周向设置，支撑环的边沿分别通过相应的散热杆与冷却水道的内壁连接；相邻散热单元的支撑环之间通过连接杆连接，支撑环与散热杆的交点作为连接杆与支撑环连接位置，连接杆的长度小于2mm；所述支撑环呈圆形或呈边数大于6的正多边形，与支撑环对应的散热杆数量大于6；
（2）将三维模型按照设定层厚进行切片处理，获得带有多孔结构随形冷却水路的模具的切片数据，分层后获得每层中的轮廓和与该轮廓对应的材料信息，设计打印方式；
（3）将模具及多孔结构随形冷却水路所用的粉末材料进行筛粉及除湿处理，置于选区激光熔化增材制造设备的供粉罐中；
（4）根据设定的切片数据将供粉罐中的金属粉末均匀铺在成型基板上，预热成型基板至设定温度，通过选区激光熔化进行成型；
（5）完成一次铺粉并激光熔化后，成型基板下降一个铺粉层厚度，重复步骤（3）直至整个带有多孔结构随形冷却水路的模具完整成型；
（6）将整个模具连同基板一起取下，将模具从成型基板上分离。
2.如权利要求1所述的基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（2）中设计多孔结构随形冷却水路的三维模型及获取切片数据的方法，是先对模具工况环境进行实况仿真分析，找出积热区域，随后根据积热区域分布进行多孔结构随形冷却水路设计，随后构建散热单元，使散热单元沿着冷却水道的长度方向均匀排列，完成三维模型的构建，随后将构建的三维模型文件转换成STL格式并导入到Magics软件中进行切片处理，从而获得带有多孔结构随形冷却水路的模具的切片数据。
3.如权利要求1所述的基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，其特征在于：所述步骤（4）中，还需要向所述选区激光熔化增材制造设备中充入惰性气体，直至含氧量低于1000ppm；惰性气体使用氮气或氩气。
4.如权利要求1所述的基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，其特征在于：所述金属粉末采用球形模具钢粉，粒径范围为17-53μm。
5.如权利要求1所述的基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，其特征在于：所述选区激光熔化增材制造设备中采用的激光器为光纤激光器，光纤激光器的成型工艺参数波长为1070±10nm、激光功率为260W、扫描速度为1200mm/s、扫描间距为0.08mm和光斑直径为0.1mm。
6.如权利要求1所述的基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，其特征在于：所述支撑环和散热杆的横截面均呈圆形或椭圆形，并且支撑环和散热杆的横截面直径均小于1mm。
7.如权利要求1所述的基于金属3D打印多孔结构随形冷却水路的制造方法，其特征在于：所述散热杆的长度小于2mm。
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