CN216885084U - 一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述冷却水道包括：壳体结构；双螺旋结构，设置于所述壳体结构内部，所述双螺旋结构包括第一螺旋结构、第二螺旋结构和衔接结构，所述第一螺旋结构与衔接结构的一端连接，第二螺旋结构与衔接结构的另一端连接；其中，所述双螺旋结构随所述壳体结构侧壁形状的改变而变化。在本实用新型中，通过双螺旋结构随壳体结构侧壁形状的改变而变化，从而使双螺旋结构距离壳体结构侧壁的最短距离均保持一致，进而实现对塑料制品冷却更均匀的目的，达到提高冷却效率的效果。

Description

一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道

技术领域

本实用新型涉及注塑成型领域，尤其涉及一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道。

背景技术

模具被誉为“工业之母”，各种各样的塑料制品可通过模具设计和注塑成型技术来进行大批量、低成本制造。注射成型过程可分为四个阶段：填充、保压、冷却和顶出。在注塑成型中，零件质量和循环时间在很大程度上取决于注塑模具的冷却阶段。冷却阶段占整个注塑周期70％，并直接影响塑料部件的最终成型。在冷却阶段，合理设计与排布冷却水道至关重要。良好的设计能够使得注塑成型过程中冷却效率大大提升，冷却范围合理分布，最终生产出高质量的塑料制品。

另外，现有的被应用于制造冷却水道的方法主要是钻孔法，然而，采用钻孔的方法来加工模具的冷却水道，水道形状一般是直线，不能随着注塑制品本身形状变化，不仅限制了冷却效率，而且存在使注塑产品发生翘曲或凹陷的可能，影响产品的质量，另外现有的异形冷却水路的进出端水路空间延伸较为复杂，且螺旋结构的顶端部分存在流动不顺畅情况，从而导致冷却效率较低。

在实际的设计方案中，现有的冷却水道外形设计与形状复杂程度存在一定的局限，且冷却水道的空间结构简单导致散热冷却效率较低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，旨在解决现有的冷却水道无法跟随壳体侧壁形状同步导致注塑成型中散热冷却效率较低的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，包括：

壳体结构；

双螺旋结构，设置于所述壳体结构内部，所述双螺旋结构包括第一螺旋结构、第二螺旋结构和衔接结构，所述第一螺旋结构与衔接结构的一端连接，第二螺旋结构与衔接结构的另一端连接；

其中，所述双螺旋结构随所述壳体结构侧壁形状的改变而变化。

所述基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述第一螺旋结构和所述第二螺旋结构的水道横截面随所述壳体结构侧壁形状变化，所述第一螺旋结构和第二螺旋结构的水道侧面距离所述壳体结构对应侧壁的距离均相等。

所述基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述双螺旋结构还包括入口结构和出口结构，所述入口结构与所述第一螺旋结构连接，所述出口结构与所述第二螺旋结构连接。

所述基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述壳体结构包括下壳体和与所述下壳体上端连接的上壳体，所述入口结构与出口结构设置在所述下壳体的两端。

所述基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述第一螺旋结构与第二螺旋结构形成螺旋组件，所述衔接结构的水平横截面为双圆弧状，所述衔接结构和部分所述螺旋组件设置在所述上壳体内。

所述基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述入口结构和出口结构的横截面为直径相同的圆形，部分所述螺旋组件的水道横截面包括与所述上壳体侧壁平行的第一弧线以及与所述入口结构的横截面直径相同的第二弧线。

所述基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述螺旋组件由下向上的水平截面宽度呈阶梯状递减。

所述基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述下壳体设置为方形，所述上壳体设置为侧面呈弧形的圆台状，所述上壳体的下表面中心与下壳体的上表面中心重合。

一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道的制造方法，其中，包括如下步骤：

进行双螺旋结构的设计，得到冷却水道模型；

对所述冷却水道模型进行仿真测试，得到验证后的冷却水道模型；

对所述验证后的冷却水道模型进行增材制造，得到注塑凸模。

所述基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道的制造方法，其中，所述增材制造验证后的冷却水道模型，得到注塑凸模之后，还包括步骤：

对所述注塑凸模进行处理，得到处理后的注塑凸模；

对处理后的注塑凸模进行加热后再冷却，得到处理后的注塑凸模的热量信息。

有益效果：本实用新型提供了一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述双螺旋分布式随形冷却水道包括：壳体结构；双螺旋结构，设置于所述壳体结构内部，所述双螺旋结构包括第一螺旋结构、第二螺旋结构和衔接结构，所述第一螺旋结构与衔接结构的一端连接，第二螺旋结构与衔接结构的另一端连接；其中，所述双螺旋结构随所述壳体结构侧壁形状的改变而变化。在本实用新型中，通过双螺旋结构随壳体结构侧壁形状的改变而变化，从而使双螺旋结构距离壳体结构侧壁的最短距离均保持一致，进而实现对塑料制品冷却更均匀的目的，达到提高冷却效率的效果。

附图说明

图1为本实用新型的基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道的立体结构图。

图2为本实用新型的双螺旋分布式随形冷却水道的俯视结构示意图。

图3为本实用新型的双螺旋分布式随形冷却水道的前视结构示意图。

图4为本实用新型的图3中A-A的剖视图。

图5为本实用新型的双螺旋分布式随形冷却水道的左视结构示意图。

图6为本实用新型的图5中B-B的剖视图。

图7为本实用新型的双螺旋结构单独显示的立体结构图。

图8为本实用新型的图7中右视结构示意图。

图9为本实用新型的图7中俯视结构示意图。

图10为本实用新型的制备方法的流程图。

图11为本实用新型的注塑成型杯状塑料制品的装配示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。

还需说明的是，本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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实用新型和简化描述，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，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

现有的冷却水道外形设计与形状复杂程度存在一定的局限，且冷却水道的空间结构简单导致散热冷却效率较低。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，能够使注塑成型的塑料制品得到均匀冷却，从而提高冷却效率，如图1、图4、图7或图8所示，所述双螺旋分布式随形冷却水道包括：壳体结构100；双螺旋结构200，设置于所述壳体结构100内部，所述双螺旋结构200包括第一螺旋结构230、第二螺旋结构240和衔接结构260，所述第一螺旋结构230与衔接结构260的一端连接，第二螺旋结构240与衔接结构260的另一端连接；其中，所述双螺旋结构200随所述壳体结构100侧壁形状的改变而变化。

值得说明的是，壳体结构100在本实施例中以底座(下壳体)与圆台(上壳体)组合的形式进行展示(即下大上小)，在实际制作时，壳体结构可以被设置成多种形状，例如上壳体可设置为远离下壳体一侧为直径大的圆台(即下小上大)，或者设置为长方体形状，本领域技术人员可以理解的是图示仅为体现结构原理，具体设置时可根据实际的使用需求自主修改。

本实用新型的双螺旋分布式的宏微观随形冷却水道的设计，通过双螺旋结构随壳体结构侧壁形状的改变而变化，从而使双螺旋结构距离壳体结构侧壁的最短距离均保持一致，进而实现对塑料制品冷却更加均匀冷却效果的目的，达到提高冷却效率的效果。

具体地，壳体结构100包括上下表面为正方形的下壳体101和设置在下壳体101上端中心的上壳体102，上壳体102为侧面呈弧形的圆台状，上壳体102与下壳体101内设置有双螺旋结构200(即双螺旋水道)，所述双螺旋水道200包括第一螺旋结构230(即第一螺旋水道)、第二螺旋结构240(即第二螺旋水道)和衔接结构260(即衔接水道)，第一螺旋水道230上端与衔接水道260的一端连接，第二螺旋水道240的上端与衔接水道260的另一端连接，衔接水道260呈双圆弧状(类似正弦曲线的一个周期)，第一螺旋水道230与第二螺旋水道240组成螺旋组件，螺旋组件位于上侧的横截面宽度小于位于下侧的横截面宽度，也就是螺旋组件的横截面宽度由下而上呈阶梯状递减，第一螺旋水道230的下端拐角处连接有入口结构201，第二螺旋水道240的下端拐角处连接有出口结构202，入口结构与出口结构均设置为直线水道，入口结构呈直线伸出下壳体一侧为进水口，出口结构同样呈直线伸出下壳体的另一侧(即相对一侧)也就是出水口，双螺旋水道中入口结构201与出口结构202的横截面为直径6mm的圆形，水道中心距离上壳体102外表面距离5mm，螺旋组件中的水道螺旋间距9mm，水道总长1107mm。

在本实用新型的较佳实施例中，正因为采用了上述的技术方案，通过采用双螺旋结构200作为水道的设计方式，实现提高冷却效率且降低温差的目的。

在本实施例中，所述双螺旋结构200(即双螺旋水道)还包括入口结构201和出口结构202，所述入口结构201与所述第一螺旋结构230连接，所述出口结构202与所述第二螺旋结构240连接。

具体地，所述入口结构201与出口结构202均设置为直线水道，直线水道与螺旋组件的末端(即第一螺旋水道230与第二螺旋水道240底端拐角处)连接，通过入口结构201与第一螺旋水道230连接，出口结构202与第二螺旋水道240连接，从而缩小双螺旋结构200的延伸空间，减少水流在下壳体101内的直线流动，提高冷却效率，并且降低生产成本。

在本实施例中，如图1所示，所述壳体结构100包括下壳体101与所述下壳体上端101连接的上壳体102，所述入口结构201与出口结构202设置在所述下壳体101的两端。

具体地，如图4所示，位于所述下壳体101内的所述入口结构201与所述出口结构202朝向相反的方向，所述双螺旋结构200贯通所述壳体结构100，所述入口结构201朝向下壳体101外侧的为入口(即进水口)，所述出口结构201朝向下壳体外侧的为出口(即出水口)，入口201与出口202分别设置在下壳体101上相对的两侧；从而在添加液体进行冷却时，进而方便进行冷却操作，通过双螺旋水道200可减少冷却时间，冷却过程中可降低温差，明显提高冷却效率。

需要说明的是，上壳体102、下壳体101和双螺旋水道200形成一个整体，即注塑凸模。

在另外的实施例中，双螺旋水道200的进水口201与出水口202可设置在下壳体101上相邻的两侧。

在本实施例中，所述第一螺旋结构230和所述第二螺旋结构240的水道横截面随所述壳体结构100侧壁形状变化，所述第一螺旋结构230和第二螺旋结构240的水道侧面(即第一弧线)距离所述壳体结构100对应侧壁的距离均相等。

具体地，如图4、图6至图8所示，第一螺旋水道230、第二螺旋水道240和衔接水道260距离所述上壳体102的表面距离为恒定值，从而改善双螺旋水道与壳体结构形成的冷却水道的冷却均匀性，进而提高冷却效率；位于下壳体101内的双螺旋水道200与位于上壳体102内的双螺旋水道200的横截面不相同，双螺旋水道200的横截面随着上壳体102向上延伸的侧壁和顶壁而变化，从而使第一螺旋水道230、第二螺旋水道240和衔接水道260距离上壳体102对应侧壁的距离均一致，双螺旋水道200的横截面是变化的，这有利于冷却液在水道中流动时形成湍流，有利于进一步提高冷却水道的冷却效率。

进一步，所述上壳体102侧面为弧形，位于所述上壳体102内且靠近上壳体侧面的螺旋组件的侧壁为弧度相同的弧形。

需要说明的是，传统随形水道管壁到模腔表面距离不完全相等，分为最靠近模腔表面的弧形部分与其他弧形部分，传统随形水道仅为最靠近模腔表面的弧形部分(即一点)与模腔表面对应距离最小；双螺旋水道不仅能实现宏观上的随形冷却还能实现微观上的随形冷却，即宏观上螺旋线水道跟随塑料制品的外形，微观上通过水道截面的创新设计使壳体结构内的塑料制品取得更加均匀的冷却效果。

在本实施例中，如图7至图9所示，所述第一螺旋结构230与第二螺旋结构240形成螺旋组件，所述衔接结构260的水平横截面为双圆弧状，部分所述螺旋组件和所述衔接结构260设置在所述上壳体102内。

需要说明的是，如图7或图9所示，所述衔接结构260为呈双圆弧状的衔接水道，形状类似正弦曲线的一个周期，从而通过衔接水道260降低水流产生流动死角的情况，提高水流速率，从而提高冷却效率且结构规则降低制造成本。

在本实施例中，所述螺旋组件由下向上的水平截面宽度呈阶梯状递减。

具体地，如图4或图8所示，所述第一螺旋结构230与第二螺旋结构240形成的螺旋组件在远离所述衔接结构260一侧的横截面宽度大于靠近所述衔接结构260一侧的横截面宽度，所述双螺旋结构200在螺旋上升过程中处于不同高度水平面上的轮廓面积呈收缩趋势，进一步，所述双螺旋水道200的位于上侧的截面宽度小于位于下侧的截面宽度，双螺旋水道200的截面宽度由下而上呈阶梯状递减，双螺旋水道200的顶侧通过衔接结构260(即弧形部分)连接为一体，双螺旋水道200底侧一端呈直线伸出下壳体一侧也就是进水口，另一端同样呈直线伸出下壳体的相对一侧也就是出水口。

在本实施例中，所述入口结构201和出口结构202的横截面为直径相同的圆形，部分所述螺旋组件的水道横截面包括与所述上壳体102侧壁平行的第一弧线以及与所述入口结构的横截面直径相同的第二弧线。

具体地，入口结构201与出口结构202的横截面均为直径6mm的圆形，上壳体102侧面为弧形，且位于上壳体102内螺旋组件的横截面包括上述直径6mm的一段圆弧(即第二弧线)和靠近上壳体102侧面的螺旋组件的与上壳体侧面弧度相同的弧形侧壁(即第一弧线)，双螺旋水道的螺旋间距设置为9mm，所述第一弧线与所述第二弧线形成上壳体内所述螺旋组件的水道横截面。

如图7至图9所示，所述双螺旋结构的圈数设置为6圈，所述双螺旋水道200的总长度设置为1107mm。

在本实施例中，如图1或图2所示，所述下壳体101设置为方形，所述上壳体102设置为侧面呈弧形的圆台状，所述上壳体102的下表面中心与下壳体的上表面中心重合。

具体地，所述下壳体101为长方体，下壳体101的高度为10mm，边长为80mm；上壳体102的顶面直径为60mm，底面直径为70mm，双螺旋水道200的入口201和出口202位于下壳体101前后端的中心处。

需要说明的是，选择性激光熔化技术(Selective laser melting，SLM)的出现为依据制品外形所设计的随形冷却水路提供了可能。SLM技术，作为增材制造方法的一种，能够进行个性化定制和复杂结构制造，这也为随形冷却水道的制造奠定了基础。

随形冷却水路是依据制品外形所设计的、形状复杂不规整的冷却水路，其设计不受传统设计与机械加工工艺的限制，让水路跟随模穴表面的几何形状发生变化，不仅提供了更大的模具设计空间，而且能显著提升模具散热冷却的效率。根据注塑制品形状复杂程度，使用随形冷却水道可降低冷却时间。

设计双螺旋分布式随形冷却水道，同时结合先进的SLM增材制造技术，针对塑料制品的形状，个性化定制随行冷却水道，合理排布冷却水道，使其冷却范围能够均匀包络制品本身，极大提高冷却效率和制品表面质量。

基于上述实施例，本实用新型还提供了一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道的制造方法，如图10所示，其中，包括如下步骤：

S10、进行双螺旋结构的设计，得到冷却水道模型.

所述步骤S10具体包括：

S101、根据塑料制品形状，进行双螺旋分布式随形冷却水道的排布设计；

S102、进行三维CAD建模，得到冷却水道模型；

具体地，先利用3D绘图软件创建传统等截面的水道，再将壳体结构表面使用等距功能创建出靠近水道且与壳体结构表面的距离处处相等的表面，最后再给壳体结构表面和创建的表面填充上实体，以此获得宏微观的随形冷却水道。

在本实施例中，双螺旋水道的入口结构和出口结构的直径为6mm，水道螺旋间距9mm，水道总长1107mm。

S20、对所述冷却水道模型进行仿真测试，得到验证后的冷却水道模型。

所述步骤S20具体包括：

结合COMSOL多物理场仿真结果，验证双螺旋分布式冷却水道的冷却效果，得到验证后的冷却水道模型。

S30、对所述验证后的冷却水道模型进行增材制造，得到注塑凸模。

所述步骤S30具体包括：

S301、将三维CAD模型保存为STL格式文件，并将该文件输入增材制造设备中；

S302、根据预设SLM工艺参数(包括激光功率200W、层厚30um、扫描速率800mm/s、扫描间距120um、条纹状扫描路径)，调节工艺参数为激光功率140W、层厚40um、扫描速率1400mm/s、扫描间距60um、条纹状扫描路径。

S303、设定SLM工艺参数和双螺旋结构尺寸，增材制造个性化定制的含双螺旋随形冷却水道的注塑凸模。

需要说明的是，通过结合SLM技术与双螺旋式随形冷却水道设计来个性化定制注塑凸模，从而提高注塑成型过程中的冷却效率和最终成品质量。

在本实施例中，所述增材制造验证后的冷却水道模型，得到注塑凸模之后，还包括步骤：

S40、对所述注塑凸模进行处理，得到处理后的注塑凸模；

进一步，对成型后注塑凸模进行表面清粉，并使用线切割将其从基板上切割下来，得到处理后的注塑凸模；

S50、对处理后的注塑凸模进行加热后再冷却，得到处理后的注塑凸模的热量信息。

进一步，对加热后的注塑凸模通水冷却，并使用红外热成像仪记录凸模热量分布及热量消散过程，得到处理后的注塑凸模的热量信息，与传统单螺旋分布的水道相比，该双螺旋分布的宏微观随形冷却水道的冷却效率更高，冷却温度分布更均匀。这与之前的仿真结果相吻合。

最后将该注塑凸模装配于注塑模具中，并采用注塑成型机进行注塑实验，验证所获注塑产品的尺寸与表面质量是否达到使用要求(整体无翘曲变形，表面无明显塌陷)。

具体地，如图11所示，右侧为注塑凹模，左侧为注塑凸模，中间为杯状塑料制品产品，在进行注塑成型过程中，通过注塑凹模与注塑凸模装配，通过注塑凸模内的双螺旋结构(冷却水道)提高冷却效率，进一步提高塑料制品表面质量。

需要说明的是，选择性激光熔化技术实现了随形冷却流道个性化定制，提高了冷却水道的设计灵活性；另外，相较于传统的随形冷却水道，双螺旋分布式的宏微观随形冷却水道的设计，能够使塑料制品冷却的更均匀，提高冷却效率的同时极大提高塑料制品表面质量，减少甚至消除最终成品的翘曲、凹陷等缺陷，提高注塑制品的良品率。

综上所述，本实用新型提供了一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其中，所述双螺旋分布式随形冷却水道包括：壳体结构；双螺旋结构，设置于所述壳体结构内部，所述双螺旋结构包括第一螺旋结构、第二螺旋结构和衔接结构，所述第一螺旋结构与衔接结构的一端连接，第二螺旋结构与衔接结构的另一端连接；其中，所述双螺旋结构随所述壳体结构侧壁形状的改变而变化。在本实用新型中，通过双螺旋结构随壳体结构侧壁形状的改变而变化，从而使双螺旋结构距离壳体结构侧壁的最短距离均保持一致，进而实现对塑料制品冷却更均匀的目的，达到提高冷却效率的效果。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其特征在于，包括：

壳体结构；

双螺旋结构，设置于所述壳体结构内部，所述双螺旋结构包括第一螺旋结构、第二螺旋结构和衔接结构，所述第一螺旋结构与衔接结构的一端连接，第二螺旋结构与衔接结构的另一端连接；

其中，所述双螺旋结构随所述壳体结构侧壁形状的改变而变化。

2.根据权利要求1所述的基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其特征在于，所述第一螺旋结构和所述第二螺旋结构的水道横截面随所述壳体结构侧壁形状变化，所述第一螺旋结构和第二螺旋结构的水道侧面距离所述壳体结构对应侧壁的距离均相等。

3.根据权利要求2所述的基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其特征在于，所述双螺旋结构还包括入口结构和出口结构，所述入口结构与所述第一螺旋结构连接，所述出口结构与所述第二螺旋结构连接。

4.根据权利要求3所述的基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其特征在于，所述壳体结构包括下壳体和与所述下壳体上端连接的上壳体，所述入口结构与出口结构设置在所述下壳体的两端。

5.根据权利要求4所述的基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其特征在于，所述第一螺旋结构与第二螺旋结构形成螺旋组件，所述衔接结构的水平横截面为双圆弧状，所述衔接结构和部分所述螺旋组件设置在所述上壳体内。

6.根据权利要求5所述的基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其特征在于，所述入口结构和出口结构的横截面为直径相同的圆形，部分所述螺旋组件的水道横截面包括与所述上壳体侧壁平行的第一弧线以及与所述入口结构的横截面直径相同的第二弧线。

7.根据权利要求5所述的基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其特征在于，所述螺旋组件由下向上的水平截面宽度呈阶梯状递减。

8.根据权利要求5所述的基于选择性激光熔化的双螺旋式宏微观随形冷却水道，其特征在于，所述下壳体设置为方形，所述上壳体设置为侧面呈弧形的圆台状，所述上壳体的下表面中心与下壳体的上表面中心重合。

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