模具3D打印的变革热潮,谁才能成为较后赢家?

作者: 上海毅速激光科技有限公司 发布时间: 2020-07-27

(三的易速 )       

对于一款注塑产品来说,它的成型周期受到多种因素的影响,例如:填充时间、保压时间、溶胶时间、开合模时间,但其中影响时间较长的是冷却时间。我们知道其中冷却时间基本来自注塑产品达到顶出时温度的时间,那么如何缩短这个时间,就要从模具着手。

传统制模中,冷却水路一般通过CNC加工方式,冷却水路只能通过铣床钻孔的方式加工产生内部水路网络,并通过内置止水栓和外置堵头的方式来调整水路流向。这样就导致水路布置有很大的局限性,水路只能为圆柱形直孔,无法百转环绕于模具内腔之中。当遇见形状复杂的模具产品时,传统水路无法完全贴近注塑件表面,例如:较容易产生产品缺陷的瓶盖顶部区域无法设计水路,这样一来冷却效率低且冷却不均匀,导致注塑周期长、产品变形量大。我们以包装模具为例:

图1:化妆品瓶盖传统水路3D模型图

从图1中我们可以看到,水路仅仅局限于化妆品瓶盖底部,而真正懂模具的同行都知道,顶部才是胶位处、热岛点,如果水路无法到达此处,那么势必使得注塑产品极易形浇口烫伤,冷却周期延长。而通过传统车铣刀削方式,顶部水路是无法加工出来的,那么如何解决?

在前几次看到一篇文章,觉得受益匪浅,一家名为上海毅速激光科技有限公司率先将增材制造聚焦于模具行业,运用3D打印技术制造出的随形水路冷却系统,解决传统模具某些特殊产品水路无法设计,冷却周期长,模温不均等问题。

据理解:增材制造技术是指基于离散-堆积原理,由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式,增材制造技术还有快速原型、快速成型、快速制造、3D打印等多种称谓,其内涵仍在不断深化,外延也不断扩展,这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。而这种技术的确恰好能为模具水路所应用。

3D打印技术作为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。

我们再回头看我们上述案例:针对化妆品瓶盖造型,通过这种逐层累加的3D打印技术,可以制造出一种随心所欲的冷却水路系统——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。(如图2所示)

图2:ESU毅速化妆品瓶盖随形水路3D模型图

3D打印技术在模具冷却水路制造中的应用则突破了交叉钻孔方式对冷却水路设计的限制。现在,模具制造企业可以设计出更靠近模具冷却表面的随形水路,它们具有平滑的角落,完美贴近模具型腔,实现较佳模温状态,获取更快的流量和更高的冷却效率从而缩短产品的成型周期,此外,冷却均衡,减少产品缺陷,提高产品良率。

而ESU毅速的设计师在文章也特别说明通过Autodesk Moldflow软件 针对化妆品瓶盖产品在传统水路与随形水路中:镶件温度、冷却时间、模温状态等方面进行分析,从而得出优劣。

案例分析——化妆品瓶盖

项目难点:热流道倒装设计空间受限,导致传统水路无法实现,此外产品成型周期过长,产品浇口处易烫伤。

ESU毅速设计师将公模仁镶件采用3D打印实现随形冷却,热嘴套镶件走随形水路,在产品材质上使用毅速研发的3D打印专用金属粉末ESU-EM191不锈钢进行打印。

在随形水路形成后,将应用随形水路与传统水路的数据进行模流分析结果进行对比:

图:3:毅速ESU化妆品瓶盖传统水路与随形水路镶件温度对比图

从模流分析图上显示:化妆品瓶盖顶部温度较高,应用传统水路镶件温度较高94.81℃,而应用随形水路镶件温度较高62.17℃,随形水路比传统水路镶件温度低34.4%(32.6℃)。从上述的模流分析数据我们不难得出结论:应用随形水路能够使模具顶出时温度更低,有利于缩短零件顶出时间。

图4:毅速ESU化妆品瓶盖传统水路与随形水路冷却时间对比图

产品的冷却时间与产品的顶出成型时间有着直接关系,从图4的数据表明,应用传统水路化妆品瓶盖的冷却时间需21.71s,而随形水路仅需要6.07s,单个瓶盖的时间就可以缩短72%(15.64s),可想而知,化妆品瓶盖制造商使用应用了随形水路的模具时,瓶盖的产出速度,成型周期将会是多么快,这为制造商带来多大的经济效益。

图5:毅速ESU化妆品瓶盖传统水路与随形

图5是化妆品瓶盖的模温周期图,它代表着产品平均表面温度变化,X轴为时间,Y轴为温度,从图中的曲线示意图我们可以很清晰的看出,随形水路模温趋势,而且随着时间的推移,有一个下降的过程,然而传统水路的模温一直较高且随着时间一直升高。

通过实际案例分析我们可以很清晰地了解到化妆品瓶盖生产过程中的镶件温度、冷却时间、模温周期各自是怎么样的一个变化。特地总结了以下几点优势:

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,较终效益大幅提高;

4、随形水路应用范围广,可用于多数注塑件的冷却优化。

那么随形水路冷却系统所带来的优势有目共睹,但在实际应用中,很多用户对某些方面还是带着质疑:如3D打印材料是否完善,价格昂贵等问题。而根据的观察,目前在模具3D打印市场上,能有ESU毅速如此规模,却又仅专注于模具领域应用的公司仅此一家。

而根据ESU毅速公众号信息,令我更为吃惊的是他们模具3D打印领域金属粉末ESU毅速也在研发,并且在逐渐完善,ESU-EM181(3D打印模具钢粉末—韧性佳、易加工)、ESU-EM191(3D打印模具不锈钢粉末—高耐磨、高抛光)、ESU-EM201(3D打印高导热模具钢粉末—耐腐、耐磨)、ESU-EM213(3D打印热作模具钢粉末—耐高温、韧性好)等自主研发的模具3D打印专用金属粉末相继面向市场。而在2020年又携手上海交大材料研究所继续研究并开发新的材料工艺等。那么作为同行我们很清楚的知道掌握材料研发是一家企业的命门,特别是在模具领域,巧妇难无米之炊,不仅仅在做加工,在做技术,ESU毅速更在研发材料,这就说明这家企业在往后的发展中将不再受限于材料,他们已经具备独自研发的手段,并且,模具3D打印专用粉末的技术优势使他们又领先了一个台阶,从而使同类型企业望尘莫及。

不得不佩服这家公司领导人的远见卓识,可能不在行业内的人士不太了结增材制造技术的发展,仅在较近三年,增材制造有了飞跃的发展,再也不仅仅是空中楼阁,技术噱头,它能够真正的实际落地,为企业及行业发展带来真正的效益,而ESU毅速整个布局我觉得已经领先了整个行业的脚步,那么未来他能走到哪里?哪一步?可以让我们拭目以待。

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