TWI746092B

TWI746092B - 新型注塑模具

Info

Publication number: TWI746092B
Application number: TW109125458A
Authority: TW
Inventors: 托馬斯霍夫斯塔特
Original assignee: 萬道樂
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2021-11-11
Also published as: TW202204124A

Abstract

本發明提供一種新型注塑模具，包含作為外殼之金屬部分、具有產品成型區域及冷卻空間之增材打印部分、連通金屬部分與增材打印部分之產品成型區域之注塑材料通道，及連通金屬部分與增材打印部分之冷卻空間的冷卻流體入口；且金屬部分包含一凹腔，增材打印部分係嵌入金屬部分之凹腔內。藉由本發明之新型注塑模具，可降低模具生產時間及成本，並顯著降低模具使用時之溫度，增加使用壽命。

Description

新型注塑模具

本發明關於一種新型注塑模具，特別關於一種利用增材打印技術之新型注塑模具。

常見以注塑加工工藝完成工程塑料產品之製造。現有模具多為金屬，如鐵、鋼、鋁合金等材料所製成，惟其加工周期較長，對於加工刀具品質之要求較高，且刀具磨損亦較高，致其加工費用相當昂貴，而使小批量產品之價格昂貴，甚至因生產費用過高而無法大量生產。

另，由於模具為金屬所製，導致現有模具之冷卻管道加工困難，於已成型之金屬塊內僅能鑽出諸如直行等設計較為簡單的水道，不僅加工成本極高，且亦無法使模具達到理想的冷卻，從而使模具磨損，降低模具壽命。

專利文獻1揭示一種注塑用模具的3D列印反嫁接成型製作方法，採用3D列印成型加工製造隨形水路，實現冷卻介質與冷卻傳導墊塊的高效充分接觸，有效確保冷卻效果；然而，其雖以3D列印技術達成有效之冷卻，但其產品成型部分仍係利用傳統技術，將金屬材料藉由機械加工方式製成，導致生產及加工成本昂貴，雖使模具之壽命較長，其仍無法達成減低生產週期之功效。

傳統技藝上皆以機械加工方式製造模具之產品成型區域之原因在於，習知較為常見之3D列印技術包含熔融堆積(Fused deposition modeling,FDM)及選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering,SLS)，此二種3D列印技術大量為工業製造所採，例如使用該等技術於模具內設計冷卻管道；然而，FDM及SLS技術所製造出之表面具較高之粗糙度，無法生產平整之表面，故不適用於模具成品定性之表面上。因此，雖存在有以3D列印技術製造模具內之冷卻通道之技術，惟對於產品成型區域及冷卻空間皆能採用相對於機械加工方式更低的生產成本與時間製造之技術，則未見有適當手法之建議。

【先前技術文獻】中國公開CN110744751A號公報

有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種新型注塑模具，於模具成型區域使用增材打印技術製造，並裝入金屬模具之外殼內，降低生產成本；且藉由增材打印技術設計模具內之冷卻空間，以有效降低模具使用時之溫度。

本發明採用光固化成型之增材打印技術，包含光敏樹脂選擇性固化(Stereolithography,SLA)及數位光(Digital Light Processing,DLP)技術，製造模具之成型部分，不若一般習知之3D列印技術製造出之成品，本發明之增材打印技術所製造之表面光滑且尺寸準確，適合用於模具中工程塑料產品之成型，且亦大大減低生產成本。

據此，本發明提供一種新型注塑模具，其包含：

一金屬部分，作為前述新型注塑模具之外殼；

一增材打印部分，前述增材打印部分包含一產品成型區域及一冷卻空間；其中，

前述金屬部分包含一凹腔，前述增材打印部分係嵌入前述金屬部分之凹腔內。

本發明之新型注塑模具進一步包含一注塑材料通道，連通前述金屬部分與前述增材打印部分之產品成型區域。

本發明之新型注塑模具進一步包含一冷卻流體入口，連通前述金屬部分與前述增材打印部分之冷卻空間。

進一步地，本發明之增材打印部分較佳為以光固化成型技術所製造之光聚合物材料組成。

進一步地，前述增材打印部分亦可為以光固化成型技術所製造之陶瓷組成。

進一步地，前述增材打印部分可包含使用玻璃纖維强化的光聚合物材料。

進一步地，前述增材打印部分可包含使用碳纖維强化的光聚合物材料。

進一步地，前述冷卻空間為拓撲空間之構成。

進一步地，前述冷卻空間為片狀結構之構成。

藉由本發明之新型注塑模具，以金屬部分作為外殼並以增材打印部分作為產品成型區域，相較於傳統金屬製模具而言，可有效降低生產成本及時間，節省昂貴之機械加工費用。

進一步地，藉由本發明之增材打印部分嵌入金屬部分之凹腔之技術，由於金屬製之模具部分只需生產一外殼，製程簡單之餘，更因所製造之產品形狀係由增材打印部分所決定，故不同產品可使用同一個金屬製模具，而僅需更換內部成本較低之增材打印技術所製造之產品成型部分；且若增材打印部分磨損嚴重，亦可快速進行更換。據此，本發明之新型注塑模具製造費用可達一般鐵製模具之10%，從而大大降低模具成本。

進一步地，對於使用增材打印技術所製造之模具而言，由於注塑的塑膠溫度通常為至少攝氏200度左右，使注塑時模具表面皆會接觸到溫度差距100度的塑膠，導致模具表面膨脹，使模具磨損；然而，藉由本發明之新型注塑模具，可於模具內設計更複雜之冷卻管道，且亦如前所述，由於增材打印部分係嵌入金屬部分之凹腔，故亦可針對不同產品設計不同之冷卻管道並進行更換，達成冷卻效率之最大化，從而減少模具磨損，提高模具壽命。

進一步地，採用光固化成型之增材打印技術，並於光聚合物材料中加入玻璃纖維強化材料或碳纖維強化材料，以加强增材打印製造部分表面之耐熱屬性，從而減少模具損耗。

10:金屬部分

12:增材打印部分

13:冷卻流體入口

14:注塑材料通道

15:冷卻流體出口

100:注塑模具

101:移動模具

102:固定模具

120:產品成型區域

121:冷卻空間

【圖1】表示本發明實施型態之注塑模具示意圖。

【圖2】表示依據圖1之注塑模具示意圖沿A-A線之剖面圖。

【圖3】表示依據圖2之注塑模具左半邊之示意圖。

【圖4】表示本發明第一示例性實施例半邊注塑模具之增材打印部分透視圖。

【圖4a】表示依據圖4半邊增材打印部分之正面視圖。

【圖4b】表示依據圖4半邊增材打印部分沿圖4a A-A線之剖面圖。

【圖4c】表示依據圖4半邊增材打印部分沿圖4a B-B線往模具中央方向之透視圖。

【圖4d】表示依據圖4半邊增材打印部分沿圖4c C-C線往模具中央方向之透視圖。

【圖5】表示本發明第二示例性實施例半邊注塑模具之增材打印部分透視圖。

【圖5a】表示依據圖5半邊增材打印部分之正面視圖。

【圖5b】表示依據圖5半邊增材打印部分沿圖5a A-A線往模具中央方向之透視圖。

【圖5c】表示依據圖5半邊增材打印部分之左側視圖。

【圖5d】表示依據圖5半邊增材打印部分沿圖5c B-B線往模具中央方向之剖面圖。

【圖6】本發明注塑模具與現有一般冷卻管道冷卻效率之比較。

【圖7】本發明注塑模具冷卻效率之分析。

以下，搭配圖式說明本發明之新型注塑模具。應注意的是，下述內容僅用以說明本發明，不應解釋為對本發明之限制。

圖1為依據本發明之注塑模具示意圖，如圖1所示，注塑模具100包含以金屬製成之外殼，並包含兩半邊形狀相互對稱之模具，兩半邊模具皆包含冷卻流體入口13。於注塑生產工藝及技術中，如通常知識者所應理解，注塑模具100以移動模具101及固定模具102組成，移動模具101可與動模板(未圖示)連接，固定模具102可與定模板(未圖示)連接；於注塑製程中，當注塑材料注塑至模具內並冷卻為固體後，連接動模板之移動模具101向外移動，從而使冷卻之產品得以從模具中取出。本發明之移動模具101及固定模具102具有相似之構成，其外殼皆由金屬製成，屬於本發明注塑模具之金屬部分10。

圖2表示依據圖1之注塑模具示意圖沿A-A線之剖面圖。如圖2所示，注塑模具100之兩半邊模具具有基本相似之構成，包含金屬部分10及增材打印部分12，惟如本發明所屬技術領域中通常知識者所應能理解，注塑模具100中僅其中一邊之注塑模具具有注塑材料通道14，以供注塑製程中注塑材料之注入。

接著，因注塑模具100之兩半邊模具之基本構成相似，故為省略說明，以下針對注塑模具100之單邊模具作說明，並搭配圖3之依據圖2之注塑模具左半邊之示意圖以更清楚理解。如圖2及圖3所示，金屬部分10作為增材打印部分12之外殼，可為長方體之構成，於本發明之一示例性實施例方式中，金屬部分10之構成材料可為鐵，並可以本發明所屬領域所習知之任何方式製造而成；增材打印部分12亦可具有長方體之構型，其主要材料為光聚合物，並利用光固化成型技術製成，例如，增材打印部分12可為利用光敏樹脂選擇性固化(SLA)或數位光(DLP)技術，藉由紫外光照射使包含陶瓷粉體、光敏樹脂、光引發劑及其他助劑等之組成物硬化，硬化後之成品細節度高、表面平滑，故當增材打印部分12作為注塑產品之成形區域時，利用其所得之產品亦將具有高精度及高平整性。

此外，為提高一般光聚合物之使用壽命，減少光聚合物於注塑液體注入時所導致光聚合物接觸表面的磨損，亦可於光聚合物內加入玻璃纖維或碳纖維強化材料，提高增材打印部份之壽命；例如，可於光聚合物材料中添加5%含量之玻璃纖維，光聚合物並可採用任何合適之現有材料，例如可採用含有600ppm抑制劑(inhibitor)之50%三羥甲基丙烷三丙烯酸酯等。

於金屬部分10之側面打造有一長方體之凹腔，此長方體凹腔之尺寸與同樣為長方體構成之增材打印部分12之尺寸匹配，使增材打印部分12可恰當且契合地嵌入金屬部分10之凹腔內，且當增材打印部分12磨損嚴重需要更換時，僅需再利用增材打印技術製造新的增材打印部分12，而無須更換金屬部分10，從而降低生產時間與成本。

增材打印部分12進一步包含產品成型區域120，使欲製造具不同形體之產品時，僅須以增材打印技術設計成形不同產品成型區域120之增材打印部分12，並進行更換即可。進一步地，注塑模具100之注塑材料通道14係連通金屬部分10與增材打印部分12之產品成型區域120，藉機械加工工藝可於金屬部分10製造單條直行之注塑材料通道，並可多次重複利用該包含單條直行注塑材料通道之金屬部分10，據此可有效降低生產週期與成本。

此外，由於本發明之產品成型區域120為以增材打印技術製成，對於例如陶瓷、塑膠等常見之增材打印材料而言，於注塑製程時，注塑液體之高溫將導致模具收縮，若不進行冷卻則模具將只能使用10次以下；因此，本發明亦藉由增材打印技術以設計與實現較為複雜之管道構成，增進冷卻效率。故本發明之增材打印部分12亦包含冷卻空間121，且如圖3所示，冷卻流體入口13位於金屬部分10之上端，冷卻管道由冷卻流體入口13直行貫通金屬部分10上部分後進入增材打印部分12，故金屬部分10僅需加工鑽出一直行之管道，而於增材打印部分12方實現複雜之冷卻管道構成，從而降低生產成本並增進冷卻效率。

圖4為依據本發明第一示例性實施例半邊注塑模具之增材打印部分透視圖，如圖4所示，增材打印部分12包含產品成型區域120、冷卻空間121、冷卻流體入口13及冷卻流體出口15，其中，圖4所呈現冷卻流體入口13及冷卻流體出口15之位置僅為一示例性設置方式，通常知識者亦可根據需要調整此二者之位置，例如，冷卻流體入口13可設置為相對於圖4增材打印部分12之下方，冷卻流體出口15可設置為相對於圖4增材打印部分12之上方等，本發明並不對此作出限制。

於本發明之第一示例性實施例中，如圖4所示，冷卻空間121為柱狀拓撲空間之構成，藉由柱狀拓撲空間之構成可使管道可承受更大的注塑液體壓力，且相較於傳統簡單之冷卻管道，本發明之此種複雜設計更能有效地導熱，降低整體模具溫度，減少模具磨損，提高生產產能。冷卻流體可使用任何本發明所屬技術領域所習知之冷卻流體，包含但不限於水、乙二醇、油及氣體等。

圖4a為依據圖4半邊增材打印部分之正面視圖，圖4b為依據圖4半邊增材打印部分沿圖4a A-A線之剖面圖，圖4c為依據圖2半邊增材打印部分沿圖4a B-B線往模具中央方向之透視圖，圖4d為依據圖4半邊增材打印部分沿圖4c C-C線往模具中央方向之透視圖。可看出，增材打印部分12之正面具有一凹槽區域，該凹槽區域為產品成型區域120；增材打印部分12並包含冷卻空間121，冷卻空間121具有柱狀之拓撲結構。

圖5為依據本發明第二示例性實施例半邊注塑模具之增材打印部分透視圖，如圖5所示，增材打印部分12包含產品成型區域120、冷卻空間121、冷卻流體入口13及冷卻流體出口15，其中，圖5所呈現冷卻流體入口13及冷卻流體出口15之位置亦僅為一示例性設置方式，通常知識者可根據需要調整此二者之位置。於本發明之第二示例性實施例中，如圖5所示，冷卻空間121具有片狀空間之構成，該種構成亦可使管道承受更大的注塑液體壓力，且更有效地導熱，降低整體模具溫度，減少模具磨損，提高生產產能。冷卻流體可使用任何本發明所屬技術領域所習知之冷卻流體，包含但不限於水、乙二醇、油及氣體等。

圖5a為依據圖5半邊增材打印部分之正面視圖，圖5b為依據圖5半邊增材打印部分沿圖5a A-A線往模具中央方向之透視圖，圖5c為依據圖5半邊增材打印部分之左側視圖，圖5d為依據圖5半邊增材打印部分沿圖5c B-B線往模具中央方向之剖面圖。可看出，增材打印部分12之正面具有一凹槽區域，該凹槽區域為產品成型區域120；增材打印部分12並包含冷卻空間121，冷卻空間121具有片狀結構。

藉由本發明之新型注塑模具，並以增材打印技術設計複雜之冷卻空間，本發明可提升模具之冷卻效果，提升模具使用壽命。據此，對本發明之新型注塑模具進行評價測試，圖6為本發明注塑模具與現有一般冷卻管道冷卻效率之比較，左圖為現有一般簡易冷卻管道構成，冷卻流體行進方式為簡單直行；右圖則為依據本發明利用增材打印技術所設計之一種冷卻管道，冷卻流體可以較複雜之路線流經注塑模具。顯見，右圖之複雜冷卻管道之流體顏色由入口之深藍色變為出口之紅色，代表其於流經管道之過程中流體之溫度升高，可知其係與注塑模具交換並吸收相當程度之熱能，使注塑模具整體之溫度降低，其冷卻功率並可達5.7kW；相對於此，左圖之簡易冷卻管道之流體顏色僅轉變為出口之淺藍色，可知其與注塑模具交換之熱能明顯低出許多，其冷卻功率僅約2.9kW。據此，使用本發明之利用增材打印技術之複雜冷卻管道係可充分達到熱交換，降低模具整體溫度。

圖7為本發明注塑模具冷卻效率之分析，使用COMSOL多重物理場域(Comsol Multiphysics)進行模擬計算，其中，縱軸表示進行注塑製程後之模具與尚未進行注塑時模具之間的溫度差(℃)，橫軸為注塑製程之時間(秒)，(c)為模具內沒有冷卻空間時之溫差模擬結果，(a)則為依據本發明利用增材打印技術所設計之如圖6右圖之冷卻管道，經注塑後之注塑模具溫度隨時間之關係。模擬計算結果顯示，依據本發明之冷卻管道，其冷卻效率大大提升，於注塑8.5秒後二者之溫差可達約40℃左右，顯知本發明之利用增材打印技術設計冷卻空間，不僅可大幅降低生產成本與時間，更可顯著增進模具之冷卻效果。

據此，藉由本發明之新型注塑模具，本發明可利用增材打印述製造產品成型區域，以利多次更換，且亦透過增材打印技術設計複雜之冷卻空間，從而有效增進模具冷卻效率，增加其使用壽命。