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摘要：塑料成型领域的随形冷却技术，拥有良好的发展潜力，它不仅优化了生产效率和成品质量，更为企业带来了可观的经济回报。然而，与国际水平相比，我国在此领域的研究和应用还存在明显不足。这不仅源于科研深度的不足，还因为3D打印技术尚未完全成熟，导致塑料模型中随形冷却水道的实际应用较为罕见。要满足随形冷却注塑模的设计需求，需调整制造过程并更新随形冷却系统。本文在传统注塑模具冷却系统的基础上，结合传热学理论，运用选择性激光熔化（SLM）技术，深入探讨随形冷却注水道注塑模的设计与制造问题。最终，成功实现了塑料叶轮的随形冷却注塑模具的设计与制造。

关键词：3D打印；随形冷却水道；注塑模；设计与制造

注塑模具冷却系统对成品有着关键性的影响，传统的冷却系统往往无法达到理想的效果，导致成型产品出现弯曲、收缩不一致的问题。为此，于20世纪90年代提出了随形冷却技术。该技术完美地贴合产品外观，可实现均匀冷却，不仅提高了产品质量，还大幅缩短了冷却时间。随着3D打印技术的不断完善，随形冷却技术在注塑模具领域的应用前景愈发光明。然而，当前学术研究主要基于传统冷却系统，对于随形冷却的探索力度仍显不足。3D打印技术为制造模式带来了革新，但其在设计和研究领域的潜力尚未完全挖掘。此外，3D打印技术在医学、航空等行业的应用较为突出，而在模具的3D打印制造领域的研究仍待加强。针对这些问题，本文主要探索3D打印中随形冷却注塑模具的设计与制造相关问题，希望通过此项研究，为随形冷却水道的设计与制造提供坚实的理论支撑和实践指导。

一、3D打印技术概述

3D打印技术，也被称为快速成型技术，借助这一技术，可以将产品的三维CAD模型转化为二维切片，并通过层次化的技术，快速打造出丰富的三维实体。这一技术具有以下显著优势：第一，自由塑形。通过离散/堆积的方法，可以塑造出形态各异的物体。第二，具有出色的灵活性，而且能够大幅度节约能源，在成型时，无需依赖工具或夹具，可以缩短新产品的研发时间，降低工具成本。第三，生产过程迅捷，从三维模型的构建到具体的生产制造，仅需几十分钟至几十个小时，这个过程相较于传统的机器生产，显著提高了产品的塑形速率，也大大减少了设计和研发的时间。

二、随形冷却注塑系统的设计

（一）随形冷却水道轨迹的设计

在设计随形冷却水道的轨迹时，有两个选择：以冷却区域为基础的离散/聚集设计和以范诺多边形为基础的设计。本文采用的设计方案融合了传统的冷却水道设计理念和随形冷却水道的常见形态。它包含四个设计环节：特征分割、制造冷却回路、回路整合和修正。

（二）随形冷却水道截面形状的设计

在设计界面形状时，不仅要关注截面大小的设计内容，还要关注整体形状的呈现。这两个关键因素相互依存，缺一不可。因此，在进行设计时需将它们进行有机融合。另外，这些由3D打印得到的水道形态不仅具有多样化的特点，而且可灵活调整，常见的选择形式包括U形、圆形或椭圆形，或者也可以只调整特定区域，例如在空间受限或结构交叉的地方进行局部操作。

在保证冷却水流量与切割面面积一致时，截面形状不同，产生的结果也会有所不同。圆形的传热边界相对较小。选用圆形截面，能够更精准地借鉴传统的注塑模具冷却水道的设计方式，进而更好地控制模具壁面温度。这种类型的水道特别适用于SLM的成型过程。由于其没有锋利的尖角，可以减少边缘区域的热应力堆积，可以有效防止注塑过程中因压力过大导致模具破裂。因此，应该优先考虑使用圆形冷却水道。如果选用特殊截面，设计时应注意截面的顶部不能为直线，建议使用半圆弧代替，这样在上部打印制作时，能减少悬挂物的产生。

（三）随形冷却水道内部结构的设计

利用3D打印技术所制造的随形冷却模具，能够调整传统水道中光滑管道的内部构造，使得冷却液体的流动更加流畅。对于换热器而言，选用不同结构的管道，冷却水的流动效果也会大不相同。比如，螺旋槽纹管、缩放管等都能显著提升换热效率。如果使用特制的异型管道进行随形冷却，可能会对传热产生正向影响。在本次研究中，选择横纹管作为实验样本，通过Moldflow的模拟仿真工具深入探讨其内部构造对随形冷却的影响。

本文选用的水道直径为6毫米，其中心和模具壁面相距8毫米，水道与水道之间相距15毫米，横纹管凸起截面为半圆，直径设定为0.5毫米，按照和圆心角对应30°、20°的设定，将其置于型芯、型腔的冷却水道中。在采用内部结构后，模具壁面的温度介于26.56℃～19.1℃之间。而在未采用内部结构的情况下，温度范围为27.27℃～30.58℃。

经过比较和研究后发现，模具的壁面温差降低了0.77℃，且逐渐趋于平衡。这一结果主要得益于内部结构设计，它优化了随形冷却的传热效率。

三、实例分析

（一）实例模型

以某冷却水泵叶轮为例，它的半径、高分别为37mm、10mm，内部壁厚均匀，均为1mm。叶片越靠近中央越高，边缘略低，这样的设计使得脱模更加方便，倾角为1°。在质量方面，要求绝对不能出现任何裂痕。制造材料为HDPE。

（二）冷却系统设计及模拟分析

1.模型结构分析

这个塑件设计得简约而不简单，其主要特点为尺寸小巧，叶片空间有限，且叶片形态弯曲，通过钻孔加工处理叶片间的冷却通道比较困难。通常需要在型腔底部安装冷却水道，然而，这并不能完全解决叶片冷却速度过慢的问题。靠近叶片的区域更易出现热量聚集，导致冷却效果不一，进而影响产品形状的精准度。如果选择使用传热系数更高的模具材质，如铜，并将冷却管水道置于镶块下端，能有效提升模具的热传导性能。但这样一来，冷却分布可能会出现不均衡的情况。为了追求最佳的冷却效果，应考虑采用随形冷却方法。

2.冷却水道的设计

依据相关要求进行设计，无需考虑中心的圆孔，可将叶轮明确划分为两个主要区域，即端面、叶片。借助Pro/ENGINEER Wildfire 5.0软件，可以设计出相应的冷却水道。具体方案如下：

（1）型腔的冷却方案

冷却水道是机械设备中不可或缺的一部分，其会对冷却效果造成至关重要的影响。根据不同的应用场景和设计要求，可以采用不同的冷却水道方案。在方案1中，冷却水道的直径设定为3mm，并配备了一个进水口和一个排水口。在方案2中，直径加大至4mm，设计呈环状。在方案3中，采用了圆形方案，直径仍为3mm，并配备了三个进水口和三个排水口。而在方案4中，冷却水道的直径为4mm，并且其总体设计呈现出矩形的形状。

（2）型芯的冷却

方案A采用了直径达6mm的环状冷却水道，方案B的矩形冷却水道，同样具备6mm直径。

3.冷却分析

在研究过程中，利用Moldflow模拟仿真软件，根据预设的冷却方案，对叶轮进行对比模拟分析。在选择工艺参数时，设定启动模具时长、保压时间、熔体温度以及冷却水温度分别为5秒、8秒、220°和25℃。在真实的生产环境中，重点关注制品的冷却效果，因此在叶轮的冷却分析中，将浇注系统的冷却视为次要因素，用注塑位置来替代。由于本文就型腔、型芯的冷却分别提出了4种、2种设计方案，总计需要对8种方案进行分析。

4.模拟结果及分析

1A、1B、3A和3B的冷却时间相同。具体来说，冷却速度受叶片冷却的影响较大。而这4个试验方案之所以能够迅速冷却，主要得益于其独特的型腔设计，其中随形冷却水道可以使叶轮叶片的冷却效率显著提升，大大加快了冷却速度。相比之下，上述四种方案的冷却速度比另外四种提升了35.4%。

1A、1B、3A和3B的温度分布稳定在2.8℃左右。另外四种方案的温度则约为3.5℃。上述8种方案的均匀性都较为出色，主要得益于制品体积小巧，且大多数均在冷却水道覆盖范围内，在冷却时间充足的前提下，都可以得到较为均匀的冷却效果。从对比结果来看，1A、1B、3A和3B的温度均匀性能够提升约20%。

随形冷却系统拥有3个入口时的压力是传统系统的3.3倍，而当它只有一个入口时，压力更是高达传统系统的6倍。这种压力的增加，源于其直径较细、管线弯曲的特性影响，导致流动阻力增大。而1个入口的管路由于运行时间更长，所承受的压力也相应增加。

（三）模具的设计

基于上述对冷却效果的评估与分析，最终选择了1B的冷却方案。对于型芯部分，沿用了传统的冷却水道设计。而型腔部分则采用了随形冷却水道，这一创新设计使得冷却效果更为出色。型芯的结构相对简单，为设计工作的开始提供了极大的便利，能够轻松地完成整体设计，同时利用常规的机械制造工艺完成制造，可以满足既定的质量与效率要求。对于型腔，采取了独特的镶嵌式设计。其中，随形冷却水道的镶件是通过3D打印技术制造出来的。这一创新举措显著缩小了3D打印工件的大小，从而有效降低了制造费用。

根据产品的结构特质、使用环境和品质标准，以及3D打印技术的独特性质，将打印出来的镶件经过机械加工后，必须优化其表面平滑度。为确保型芯底部的稳定性，还要为其增添支撑结构。在移除支撑后，还需进一步机械加工，确保它能与动态模板完美契合。因此，在模具设计之初，要预留充足的加工余量，精确到0.6mm。成型叶片所处的位置平滑，所以只需对其进行简单的喷砂处理。设计过程中，应严格遵循标准尺寸，并设定了1°的拔模斜度。为了避免在注塑过程中因顶杆与孔的间隙问题导致飞边的出现，可以采用缩孔设计，后续再通过机械加工来扩大孔径。

（四）模具的制造

在完成镶件打印工作后，可以结合图1观察到成型实物，左侧为实物图，右侧为随形冷却水道的示意图。利用专业设备进行喷砂处理、机械车削，在进行车削操作时，如果能够保证切屑的连续性，则证明3D打印的机械加工性能优良。车削后还要进行扩孔等操作，最终镶件可见图2。将镶件和镶块、型芯一起组合装配。

图1 SLM 成型的镶件

图2 机械加工后的镶件

（五）实验结果与讨论

1.注塑工艺参数确定

在实验中发现，当注塑压力超过100MPa并伴随着螺杆旋转速度的加快，很容易发生填料不完全的问题。这一问题导致了叶片尾部烧焦，大大增加了脱模的难度。尽管尝试提升保压压力和延长保压时间，但效果并不明显。经过深入研究，推测在高压和高速的注塑条件下，叶片部位更容易受到困气，导致熔体的补给量减少，从而引发烧焦。此外，3D打印的叶片表面未经抛光和打磨，也会影响其质量。在高压环境下，熔体对叶片表层的粘结性极强，使得脱模变得困难。不过，当将注塑压力调整至65MPa并降低注塑速率时，叶片的充填效果显著改善。选用在直浇口中心进料的方式，可以使材料更容易充填。考虑到注塑压力的限制，可以将保压压力设定为45MPa，保压时长设定为6s。经过前期模型研究，设定8s的冷却时长、3.5s的开模和关模时间，包括填充在内，使整个注塑成型周期控制在23秒。

2.模具型腔表面温度

以上述参数为依据，借助红外线温度检测器对完全脱模后的型芯及内壁温度进行检测，根据实验数据分析可知，模具起始温度为25.5℃，经过三个塑型周期后，温度大致保持在23.9℃。与此同时，型芯初始温度为25.4℃，经过三个周期后基本保持在24.3℃。模具整体温度相对较低，主要原因如下：

（1）冷却水的温度由于没有使用模温设备进行调节，因此相对较低。

（2）由于叶轮体积较小，其热量的释放量也相对较少。

（3）利用红外线温度检测器来监测模具表面温度，然而这种方法存在一定的延迟和偏差。

通常来说，使用传统冷却水道设计的注塑模具需要10～20个成型周期来稳定性能。然而，引入随形冷却水道后，稳定所需的周期大幅减少，从而显著缩短了试生产时间。此外，随形冷却模具的表面温度与冷却水温度（22.8℃）的差距仅为1.5℃左右，这意味着可以通过微调冷却水温度控制模具温度。为了进一步验证，还对比了Moldflow模拟仿真数据。结果显示，模壁温度与水温的最高温差为2.98℃，平均温差为1.53℃，这与此次实验测量的数据基本一致。

3.温度均匀性

选用5个成型周期内的型腔中心一处及四周三处，共计4处温度进行验证。在中心处，温度值稍高，和其余三处的最大温差仅1℃；而在其他三处，温度变化幅度均在0.5℃以内。考虑到中心区域是物料的入口，且与主流道紧密相连，使得此处温度稍高。从整体上看，四周的温度分布均匀一致，充分体现了随机冷却技术在温度均匀方面的优越性。

总结

综上所述，随形冷却技术在注塑成型领域具有巨大的发展潜力，其对于提高生产效率、优化产品质量、增长经济效益具有积极意义。文章探讨了随形冷却注塑模具的设计和制造要点，借助SLM成型技术和传热学原理，提出创新性的设计方式，成功设计并制造了塑料叶轮的随形冷却注塑模具，将3D打印技术融入随形冷却水道注塑领域具有重要的理论与现实价值。

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