3D打印与模具丨突破传统注塑模具桎梏的关键——异形水路

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随着现代工业的快速发展，人们的生活水平日益提高，塑料凭借着质量轻，绝缘好，产品外形结构多样化，价格低等优点，逐渐在很多领域取代钢材、木材，成为21世纪重要的材料之一。塑料产品的成型方法有很多，如吹塑成型、注射成型、挤出成型等，其中注射成型的应用最为广泛。注射过程一般包括：加料、塑化、注射、冷却、脱模，其中冷却时间约占产品成型周期的50%~80%，注塑模具冷却系统是直接影响塑件质量和生产效率的关键因素，它不但直接影响着成型周期的长短，而且决定着成型塑件的变形程度、力学性能、尺寸精度等，大约60%的塑件问题是由于模具冷却系统设计不恰当而引起的。因此，模具冷却系统的设计和优化对于塑料注射成型是至关重要的。

注塑模具的冷却系统

传统水路是指在塑料模具模架、模仁中利用机械加工出来的贯穿性的孔，通过某种介质（如水、油）不停的在里面循环传输热量，以达到控制模具温度的目的。所以传统设计制作的冷却水路都是以钻孔方式完成，其直线圆管状造型另须避开结构或组装原件，因此水路设计极其受限。对于一些外形复杂的产品，传统钻孔式的水路由于无法保证模具型腔表面各处均匀冷却，因此导致产品冷却不均，注塑周期长、产品变形量大。

而异形水路则不同，我们通过模流分析分析模具与水路的散热情形，找出影响成型周期的关键问题部位，为其设计异形水路方案，缩短制造时间，提升制造质量。更进一步来看，模具的散热水路设计方式也可以采用不规则形状设计，提升散热效率，这就是3D打印异形水路的基本原理。

突破传统模具的关键技术

兩岸合资的浙江宇辉智能科技有限公司成立于2017年10月，宇辉智能除了使用EOS金属3D打印机来加工复杂异型水路外,更注重如何有效的设计模具与生产出更好质量的注塑产品，旨在提升模具行业转换升级，带动模具产业发展。

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3D打印技术又称为增材制造，是一种采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除——削切加工技术，增材制造是一种“从无到有”的制造方式，这种制造方式使随形水路成为现实。

随形水路，它可根据产品轮廓的变化而变化，到达模腔任何地方，模具内部将无任何冷却盲点。（如下图）

宇辉智能的随形水路目前主要利用直接金属烧结系统（DMLS）3D打印技术来进行加工，由于DMLS3D打印技术可做出更为复杂与圆滑的水路形状且成本更低，因此DMLS3D打印技术在随形水路上应用更为广泛。浙江宇辉智能科技有限公司所使用的的就是DMLS3d打印技术。而相较于传统水路制作来说DMLS3D打印工艺流程就简单的多，它分为三个部分：

1.3D文档-转换导出STL数据-STL数据切层（设计阶段）

2.激光熔化金属粉末组层堆积打印（制造阶段）

3.打印完成后取出工件-后处理-交货（交付阶段）

产品打印流程

设备介绍

宇辉智能采用的设备为EOS M290，EOS M290是全球装机量最大的金属3D打印机，采用直接粉末烧结成型技术，利用红外激光器对各种金属材料，如模具钢、钛合金、铝合金以及CoCrMo合金、铁镍合金等粉末材料直接烧结成型。在成型体积250x250x325毫米的空间内，EOS M 290 更快速、更灵活、更降低成本的从CAD数据直接生产金属零件。

异形水路的优势

随形水路突出优势在于：设计的可能性、较少的人员参与、优秀的产品质量以及产品周期的大大缩短，仅需要镶件的三维模型导入到设备中即可自行加工，从而提高了生产效率；可适应0.8~1.5Mpa甚至更高高压的模温机，提升了最终产品的质量，使产品的单位成本降低。此外，传统模具需要使用机械加工进行除锈，3D打印模具可以通过超声电解的方式进行维护。

3D打印模具随形水路流程图

经多次模流分析与实践应用，得出随形水路的各项优势数据（后附产品案例模流分析图）：

1. 根据注塑件形状复杂程度，可降低冷却时间20%至50%；

2. 根据注塑件形状，可减少变形量15%至90%；

3. 模具成本略有增加，但综合注塑产能、良品率等因素，最终效益大幅提高；

4. 随形水路应用范围广，可用于多数注塑件的冷却优化。

5. 模具维护方式简易可行。

案例分享

案例1  改善产品质量降低生产周期

该客户产品偷料孔位置工件积热，偷料孔破孔不良。为解决工件积热，模具开模取出產品后需要用风枪吹积热位 置的工件，对工件进行强制冷却，否则生產时产品会出现破孔不良。盼能使用异形水路技术对该产品进行改善。

客户模具的关键部位

最初的设计方案

如图，经过模流仿真，该方案非但解决 不了目标位置的热量，且水路大范围的排布使3D打印 镶件的成本急剧增加。而镶件位置的工件尺寸也太小， 很难顺利走水进去

浇口位置和模流分析

原方案模流分析与优化方案模流分析

  变更为局部随形水路冷却后，模具积热严重部位温度降低70度，其 它区域模温变化不大。

优化方案

改善结果：

1：产品冷却时间从改善前的30S，下降至15S。

2：风枪吹气时间15S，导入异形水路后，取消此人工动作。

产生的财务效益：

成本总节约：1.17RMB/PCS。

订单需求：30K/月，预计可节约成本：35100RMB/月。

生产效率提升：47.6%

1：制造成本节约：1.09RMB/PCS（周期缩短30S）

2：人力成本节约：0.08RMB/PCS（吹气15S）

效率提升：周期由63s降为33s 成本由RMB2.26降为1.09

案例2  高温模具优化

2017年接受公牛集团委托，挑战高模温模具，为下图这个魔方的产品优化成型周期，该产品采用PC的材料，成型周期是37秒。产品外表面是外观面，所以模具需要走高模温。客户希望比较一下常规水路和异形水路两种方案，对产品产品温度以及成型周期的影响。

产品图

左为目前采用的水路方案，右为异型水路方案

左为目前采用的水路方案，右为异型水路方案

从上图可以看出，异形水路方案相比常规的方案，产品整个底面温度低15~20度，产品侧面温度降低约5度左右。

方案分析对比

从上图可以看出，异形水路方案相比常规的方案，产品整个底面温度低15度，相差较大。

初步结论：目前的周期为37秒, 可改善的周期区间为21.3秒, 使用异形水路之平均预期区间为17秒, 缩短了约4秒，最终周期为33秒，相对于原周期37秒缩短了11%。

继续优化生产，进行整体水路改造优化。

模仁实测温度:42.6℃生产周期:26.5秒

总结：

1. 以海天250吨注塑机总合工费率每秒0.025元计算，每一个魔方本体可降本0.025X10.5秒/2穴=0.1312元。

2.以年需求量二百万个计算，每年可节省的成本为0.1312X200万=26.2万元。

3.以年注塑机工作日330天计算，每年可减少使用注塑机330X28%=92天，也就是说每一台注塑机每年可腾出92天来做其他的产品，更具体从设备投资的角度来说，每需求10台注塑机即可少买2.8台，每需求100台注塑机可少买28台；每需求1,000台注塑机即可少买280台，这设备投资的减少着实可观。相对的，备模的需求数量也可以少28%。

4.因为此魔方本体模具只需局部模仁使用3D金属打印，一模两穴的费用估计在五万元左右，模具增加3D金属打印成本的投资回收期=36,000/（0.1312X2穴）=13.7万模次时。

更多案例

以上案例从模具达到顶出温度的时间、塑胶零件温度、模具温度、产品形变量等方面分析应用随形水路与传统水路在这几个方面的数据，结果很明显，在冷却效率、产品良率等功能上随形水路数据均远超传统水路。

时代在发展，技术在革新，面对新环境给予我们的困局，传统模具制造业应该也必须跟上时代的潮流。3D打印技术制造的随形水路冷却系统，与使用铣床钻孔或车削方式制作的传统水路相比，随形水路能给制造商带来更优质的产品，更快的生产效率，更高的企业效益。而在这个讲究效率与质量的时代，二者缺一不可，看似矛盾，现在却实现统一，因此，3D打印随形水路或是模具制造企业突破困局的“关键先生”。

wangminjiang888

问个问题，你这个水路时间长了，水垢怎么清理

LIAOYAO

明知水路时间长了会长水垢，咋不去了解为啥会长水垢？
再不懂就去找锅炉工问问。