自工业注塑成型开始以来,在模具表面保持均匀的温度始终是一个挑战。

为了保持恒温,制造商们使用了挡板、起泡器和热管;他们将层压板叠放在一起,将复杂的钻孔设备添加到模具中。

在过去的十年左右,随形冷却 - 设计自然按照生产部件轮廓的冷却通道 - 已被定位为控制注塑成型温度的解决方案。但是随形冷却为模具制造过程增加了新的设计和生产复杂性,超越了大多数车间的能力范围。
 

“坚实的方法论”

Bastech 是一家位于俄亥俄州的提供商,为车间、增材制造服务和设备销售提供单一来源解决方案,一直受温度问题困扰,但相信已经找到一种更简单、更高效、更经济的方法来进行随形冷却。公司的研究得力于其作为 3D Systems 授权黄金合作伙伴的地位,因而可以使用最新的 3D 打印技术和智能。

Bastech 在最近两项基准测试中记录的突出表现是基于 3D Systems 的 Cimatron™ 模具制作软件及其 ProX® 200 直接金属打印 (DMP) 系统。随形冷却模具设计的模拟是通过 Moldex3D 软件(3D Systems 的合作伙伴)完成的,完成的 DMP 模具使用 3D Systems Geomagic® Control 软件进行检验。

工艺代表端到端制造解决方案,轻松集成数字和物理世界,各个环节全部由 3D Systems 产品提供支持。

“使用功能强大的软件组合有助于充分利用 3D 打印功能,打印机为完全致密的金属部件提供光滑曲面和有限后处理,这样可以为建立定制冷却模具提供坚实的方法。”Bastech 的 CEO Ben Staub 这样表示。
 

自动化设计与分析

Bastech 的第一个基准比较了两个非常相似的部件在体积、尺寸和设计配置方面的差异。一个设计了随形型芯,然后进行 3D 打印;另一个设计了标准螺旋挡板结构,并采用传统方法进行制造。

随形冷却设计采用专业 CAD/CAM 软件 Cimatron,该软件涵盖整个模具制造周期,从设计报价、应用工程变更,以及数控与 EDM 编程。Cimatron 的最新版本引入冷却设计和分析功能,支持传统的钻孔冷却通道和使用 3D 打印技术制造的随形冷却通道。

通过与 Moldex3D 的紧密结合,注塑模具设计人员可以通过 Cimatron 自动进行充模分析,从而优化冷却通道布局。

“Cimatron 和 Moldex 相结合提供专家软件,帮助经验不足的工程师创造更优质的设计。”Staub 说,“这是一个主要的考虑因素,因为经验丰富的工具制造商正供不应求。”

“设计 3D 打印需要了解结构支撑设计,实现真正基于需求的设计,降低材料成本和建模时间。”Bastech 的工程经理 Scott Young 补充说,“这类专业知识内置在 Cimatron 软件中,方便我们的设计人员专注于设计,不用担心导航 CAD 包来定义复杂的内部通道。”
 

显著缩短时间与周期

Bastech 的第一个基准设计是锥形螺旋体,位于工业装配件的间隔圆锥的内侧。通过旋转泪珠状构造创建随形冷却通道,使得一侧平行于型芯的外表面,同时保持与其恒定的距离。通过沿锥形螺旋体操作横截面,Bastech 能够设计 ProX 200 可以在单次运行中构建的几何体。

3D 打印模具的设计花了两天时间,在 ProX 200 上进行构建用了三天时间。为了最大限度地提高生产率,Bastech 将模具的 3D 打印运行与其他 Bastech 项目所需的部件相结合。

ProX 200 是传统制造工艺的低价替代品,它能够减少浪费、提高生产速度、缩短设置时间、生产致密金属部件,并按单个部件来生产复杂的装配件。 

“这款工具可以提高我们的建模能力。”Staub 表示,“它为我们提供了更高水平的周转工具,并解决了车间的瓶颈问题。通过消除电火花加工和钻孔,大幅减少数控和抛光工作,每个模具可以节省 30-40 小时。”

对于逆流螺旋核心,Cimatron 软件的设计和分析与 ProX 200 上的 3D 打印相结合,节省了超过 40 小时的编程和车间加工时间。Young 认为,如果将所有成本考虑在内,3D 打印的核心要比传统方法节省 1,765 美元 (18%)。

更重要的是,随形冷却模具在整个运行中能够保持较低的温度,并将循环时间缩短 22%。

“循环时间几乎是注塑成型中最重要的要素,能够持续控制温度保持稳定。”Staub 这样表示。

“我们保持温度的稳定性越高,就越可以确保塑造出始终如一的优质部件。”Young 说,“消除由于温度变化而产生的扭曲并缩短循环时间,从而极大地提高性能。”

基准结果:挡板与随形型芯
新建窗口
无效

型芯以外的节省

在第二项基准中,Bastech 不限于随形型芯,为 3D 打印设计完整的型芯、型腔和斜顶模组。在这种情况下,目标是在传统设计和随形设计之间保持温度恒定 (110F),以了解其如何影响冷却和循环时间结果。

编程、加工和抛光环节又一次节省了大量时间,随形冷却设计中完全消除了 EDM。Cimatron 软件中的自动化将随形冷却模具的设计时间从 30 小时缩短到仅 7 小时。3D 打印模具总共节省 2505 美元,即 16%。

冷却时间从传统模具的 10.5 秒降低到随形模具的 7.5 秒,所有重要的循环时间缩短了 14%。

“虽然传统冷却和随形冷却设计的温度相同,但随形设计表面积更大,能够汇聚更多的液体,从而使冷却模具更有效率。”Young 这样表示。

基准结果:传统与随形型芯
新建窗口
无效

主要底线影响 

“一直以来,我们都在不断追求更好的冷却技术。”Young 说,“我们现在借助这款软件,帮助模具制造商在如何设置型腔、型芯和镶件方面更好地做出决策,然后使用直接金属 3D 打印将其变为现实。“

“使用传统的冷却进行注塑成型并非完美无缺。”Staub 认为,“只能在某些地方钻孔,无法像专为 3D 打印设计的随形冷却一样在通道上打造弯孔。现在我们不必在随形冷却设计中轻易妥协。”

Bastech 通过俄亥俄州和代顿大学研究所的授权购买了 ProX 200 DMP 系统,这样一来,公司的使命就涵盖与工业界共享成果。Staub 希望 Bastech 的基准成果能够向各种规模的车间展示:坚实的端到端解决方案可以实现随形冷却。

“很多工模具制造商都需要采用这些 3D 技术来改善他们的车间。“他表示,“我们希望分享成功经验,这样不仅其他车间可以亲眼见证成功,而且能够对底线产生重大影响。”