基于3D打印的随形冷却流道注塑模具设计与制造
3D打印模具随形冷却水路的设计细节【干货】
3D打印模具随形冷却水路的设计细节内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.1.水路的直径使用钻孔方式制造的传统冷却水路，常用的直径为7/16英寸（约11.11mm）。
通过这种方式制造的冷却水路，如果直径过大，将可能导致水路难以接近模具表面，同时避开模具部件。
如果直径过小，在水路加工时可能会发生钻头漂移。
虽然，增材制造技术规避了钻孔方式的一些局限性，但是在设计水路时，仍需将直径设定在经过实践验证的常用尺寸范围内，从而降低这种技术的不确定性。
2.横截面面积在通过钻孔方式加工冷却水路时，水路的横截面积始终是保持不变的。
尽管通过3D 打印技术可以制造出一条拥有多种不同形状的水路，但是，在设计3D打印随形冷却水路时，应保持水路的横截面积不变，从而保证恒定体积的冷却液体通过水路。
3.与模具表面的距离对于冷却水路与模具表面的距离，并没有一个固定的规定，例如，有的企业在设计时保留的距离恰好等于水路直径的距离，而有的企业保留的距离为水路直径的2倍。
对于大多数随形冷却水路来说，与模具表面的距离取决于零件的几何形状。
在设计与模具表面的距离时，有一个需要遵守的原则是，使随形水路与模具表面始终保持相同的距离，从而达到均匀的冷却效果。
4.冷却水路的长度在使用钻孔方式加工冷却水路时，如果钻孔时产生的碎屑未被排空，则可能发生钻头漂移或损坏。
在这种情况下，人们会选择将冷却水路设计得尽量短一些。
尽管通过3D打印技术制造随形冷却水路，不存在刀具损坏等问题，但是，在设计时仍不建议将水路设计得过长。
这是由于冷却水在较短的冷却水路中可以更为迅速地进出，使热分布更为均匀。
5.截面积的另一个规则由于多条短的冷却水路能够更加均匀地进行冷却，所以，有的随形冷却水路是按照毛细管的思路来设计的，即：一条大的冷却水路被分为多条小而短的水路，然后再汇入一条大的水路。
注塑模具设计与制造教程
03
注塑模具结构设计
分型面设计技巧及注意事项
分型面选择原则
确保产品顺利脱模，减少溢料和 飞边，简化模具结构。
分型面设计要点
分型面应位于产品断面轮廓最大 的地方，便于脱模；避免在分型 面上设计小孔或凹槽，防止溢料 和飞边；分型面的设计应便于模
具的加工和装配。
注意事项
分型面的选择应避免影响产品的 外观和性能；对于复杂的产品， 可能需要采用多个分型面进行脱
性能要求
模具材料应具有良好的切削加工性、热处理稳定 性、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性等性能。
精度与表面质量要求
精度要求
根据产品精度要求，确定模具的制造 精度和装配精度，保证产品的尺寸精 度和形位公差。
表面质量要求
模具表面应平整、光滑，无裂纹、毛 刺等缺陷；分型面、型腔等重要表面 应达到一定的粗糙度要求，以保证产 品的外观质量和脱模顺畅。
分类
根据模具的结构和使用特点，注塑模具可分为单分型面 注塑模、双分型面注塑模、带有侧向分型与抽芯机构的 注塑模以及热流道注塑模等。
注塑模具结构组成
导向部件
浇注系统
由主流道、分流道、浇口和冷料 穴等组成，用于将熔融的塑料从 注塑机喷嘴引入模具型腔。
包括导柱、导套等，用于保证动 模和定模在合模时的相对位置精 度。
压力调整技巧及常见问题解决方案
压力调整技巧
注射压力、保压压力和背压是注塑成型过程中的关键压力参数。 根据产品的结构、壁厚和塑料的流动性，合理调整这些压力参 数，以确保塑料充分填充模具并补偿收缩。
常见问题解决方案
针对飞边、短射、缩水等常见问题，通过调整注射速度、保压 时间和压力分布等参数，可以有效改善产品质量。
加工工艺流程梳理与规范操作指南
基于Moldflow和3D打印的注塑模具随形冷却水道设计_谭景焕
* 广东省省级科技计划项目资助 （ 项目编号 2013B080500019）
＊＊ 通信作者 bliu@ scut. edu. cn
作者简介： 谭景焕，男，1991 年生，在读硕士研究生，研究方向为模具 CAD / CAE / CAM。
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塑料工业
2015 年
使冷却水道的随形性更为理想。 2007 年，史玉升、伍志刚等［6－7］提出了基于离散
（ The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education，National Engineering Ｒesearch Center of Novel Equipment for Polymer Processing，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）
并进行注塑成型加工，进行模具型腔表面温度及镶件表面温度的测量以验证设计的可行性。
关键词： 随形冷却水道； Moldflow； 3D 打印； 模具镶件
DOI： 10. 3969 / j. issn. 1005－5770. 2015. 12. 011
中图分类号： TQ320. 66+ 2
文献标识码： A
/ 聚集模型的随形冷却水道的设计方法，建立了截面 为圆形、椭圆形、半椭圆形和 U 形的冷却水道的传 热模型，并使用选择性激光烧结 （ SLS） 技术成功制 造了香盒模具。
1 冷却系统的设计及模拟分析
图 1 为某机床冷却水泵叶轮，其半径为 37 mm， 高 10 mm，壁厚 1 mm，壁厚均匀，叶片靠近中心处 较高，边缘处较矮，脱模斜度为 1°，塑件质量要求 不允许有裂纹，材料为高密度聚乙烯 （ HDPE） 。
基于Moldflow和3D打印的注塑模具随形冷却水道设计_谭景焕
注塑模具随形冷却技术最先是在 1997 年由美国 麻省理工学院的 Sachs［1］教授提出，他认为该技术将 是 3D 打印最主要的四个应用之一。注塑模具的随形 冷却方式与传统的冷却方式有所区别，其冷却水道的 形状是随着注塑制品的外形而变化的，不再是传统的 直线状。因此，它可以很好地解决传统冷却水道与模 具型腔表面距离不一致的问题，使注塑制品冷却均 匀，提高冷却效率。
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图 2 冷却水道布局 Fig 2 The layout of cooling channel
1. 2 冷却分析 根据以上的型腔和型芯的冷却设计方案，以型腔
冷却方案+型芯冷却方案的形式进行分组，如 1A 为 一组，共分为 8 组。运用 Moldflow 软件对各组方案进 行制品、冷却水道和模具的 3D 网格划分并进行模流分 析。分析时采用的工艺参数为： 开模时间为 5 s，保压 时间为 8 s，熔体温度为 220 ℃，冷却水温度为 25 ℃。
控制模具的壁面温度。该叶轮塑件的冷却可分为端面 及叶片两部分，具体的冷却方案如下：
（ 1） 型腔的冷却方案。方案 1，冷却水道直径为 3 mm，管道具有 1 个入水口，1 个出水口，如图 2a 所示。方案 2，冷却水道直径为 4 mm，冷却水道整 体外形为环形，如图 2b 所示。方案 3，冷却水道直 径为 3 mm，管道具有 3 个入水口，3 个出水口，如 图 2c 所示。方案 4，冷却水道直径为 4 mm，冷却水 道整体外形为矩形，如图 2d 所示。
通过以上分析可知随形冷却的冷却效率较传统冷却流道可提高30左右冷却均匀性很好且模具壁面温度接近于冷却水温度这是由于冷却水道更加贴近型芯型腔壁面随形冷却的冷却覆盖面几乎包括制品的所有区域模具与冷却水的换热很快因此冷却效果得到很大提升
注塑模具随形冷却水道的设计方法与分析
优化冷却水道的布局，提高冷却效率
优化冷却水道的形状和尺寸，降低流动阻力
优化冷却水道的连接方式，减少泄漏和压力损失
优化冷却水道的材料选择，提高耐腐蚀性和耐磨性
注塑模具随形冷却水道的制造工艺
3
制造工艺流程
设计阶段：确定冷却水道的形状、尺寸和位置
装配阶段：将冷却水道装配到模具上
测试阶段：对冷却水道进行压力测试和流量测试，确保其性能符合设计要求
环保与节能：通过优化水道设计，降低能耗，减少废气、废水排放，实现绿色制造。
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注塑模具随形冷却水道的设计方法与分析
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注塑模具随形冷却水道的设计原理
注塑模具随形冷却水道的制造工艺
注塑模具随形冷却水道的应用实例
注塑模具随形冷却水道的发展趋势
注塑模具随形冷却水道的挑战与对策
目录
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未来发展方向展望
提高冷却效率：通过优化水道设计，提高冷却效率，降低生产成本。
环保节能：采用环保材料和节能技术，降低对环境的影响。
智能化：利用人工智能和物联网技术，实现水道设计的智能化和自动化。
复合材料：研究复合材料在随形冷却水道中的应用，提高模具性能。
注塑模具随形冷却水道的挑战与对策
6
面临的主要挑战
加工阶段：使用CNC机床进行精密加工
制造工艺要点
设计原则：保证冷却效果，减少冷却时间，提高生产效率
制造工艺：采用先进的数控加工技术，保证水道的精度和表面质量
冷却水道的布置：根据模具结构和产品形状，合理布置冷却水道，保证冷却效果
基于3D打印的随形冷却水路注塑模具设计
基于3D打印的随形冷却水路注塑模具设计作者：***来源：《现代职业教育》2021年第39期[摘要] 以某机械顶盖的塑料模具为研究对象，采用不同的冷却方式，对顶盖的凹凸模进行水路设计。
通过模流软件（Moldflow）分析了各种冷却系统的温度、压力和时间。
选择冷却效果最优的冷却方案，并根据最优的方案进行凸模和凹模随形冷却系统的设计。
通过3D打印中的选择性激光烧结技术进行打印，最终完成凸模随形冷却系统的模具设计，应用到实际教学中，从而提高学生的认知以及模具制造技术专业性的拓展。
[关键词] 注塑模具;随形冷却水路;3D打印;SLM;模具镶件[中图分类号] TQ320.52 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2021）39-0234-03塑料模具的随形冷却和传统冷却方法有很大的不同，根据塑料制件的形状进行冷却路径设计。
这些随形冷却水路解决了传统冷却水路与模具凹凸模表面之间的距离，而且冷却效率得到了明显提高。
近年来，3D打印技术的逐步成长，随形冷却方式将成为注射模具冷却系统中新的方向和领域。
目前，选择性激光烧结（SLM）和选择性激光熔结（SLS）是广泛应用于随形冷却模具的制造。
通过SLM打印的制件在后面阶段不需要高温烧结和渗铜，工艺简单，制件可以达到普通金属99.5%的相对密度，并可以进行任意加工。
因此，我们的研究重点应该放在塑料模具成型零件的冷却系统设计和制造上。
一、随形冷却摆脱传统方式的制约随形冷却的原理是利用水路跟随制件外形进行布置，从而快速降低温度。
温度的高低影响注射成型零件的注射周期，水路分布的合理性关系注射成型零件是否产生扭曲和缩痕。
相对传统水路来说，受到加工局限性和产品形状以及模具顶出杆件的限制，冷却水路与模具表面相隔较远，导致冷却效率较低。
不仅这样，还必须面对进一步的处理和组装，以及被阻塞的危险。
此外，在复杂的情况下，必须将模具切割成多个部分，镶嵌到整个模具上，这些镶件会增加额外的成本，同时还会对模具的寿命有影响。
基于增材制造技术的模具设计
基于增材制造技术的模具设计摘要: 增材制造技术（3D打印）使模具冷却水路设计不再受注塑件的结构限制，可以设计生产出贴合注塑件轮廓的随形冷却流道模具。
文章以某注塑模具的镶件为例，分析了3D打印随形冷却流道技术和利用该技术的特点优化对模具进行适当的轻量化优化设计，以期最大限度达到增材制造技术在模具方面的价值。
关键词：增材制造；随形冷却流道；优化设计零件冷却是注塑零件生产过程中的重要组成部分，一般会占用50％~80％的生产周期。
传统的模具冷却流道，是通过常规工具加工出一些直孔，孔道相互交叉形成。
有效冷却位置通常并不会十分的理想。
冷却效果差、时间较慢，这就导致了整个型腔内的有效表面冷却不均匀。
有别于传统冷却流道有，随形冷却流道设计能够紧贴待成型零件的轮廓形状，精准地在需要的地方进行冷却。
但是，复杂弯曲的流道采用传统方式加工十分困难。
近年来，随着增材制造，俗称3D打印技术的推广发展，其通过逐层堆叠累积的方式构造物体，不受复杂性限制生产的优势，突破了随形冷却流道的加工困局，逐渐在模具制造领域中得到了广泛的应用。
不过，金属3D打印在模具生产这需要大量材料制备的场合，耗时大成本高，在满足注塑生产改善要求的同时，设计上还应与考虑优化结构，以减少打印量，进而降低打印材料的消耗以及3D 打印的生产时间。
本文会以某家电外壳腔体为具体案例，介绍增材制造技术在模具设计中的应用。
1.外壳腔体的结构及分析某品牌家用电器的外壳通过注塑机生产，我司负责为其设计和生产注塑用模具。
该零件外形大小约为212mm*130mm*157mm，壁厚2.5 mm，厚度均匀。
其注塑所用材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），塑料部件质量要求不允许出现裂纹和收缩翘曲变形等。
如图a所示，零件中有一尺寸大概为135mm*114mm*89mm的腔体结构特征，面积和深度均比较大，在注塑过程中容易缺胶填充不满，冷却时间久，冷却不均匀等问题。
因此，该部位在模具设计中要充分考虑冷却流道的布置。
3D打印随形水道在注塑模具制造中的应用探索
3D打印随形水道在注塑模具制造中的应用探索摘要：本文以心形水杯塑件的制作为例，基于3D打印技术本案利用工业级SLS打印机打印水杯模具型腔、型芯的随形水道母模（砂型模），然后通过浇注形成模具核心部件型腔、型芯的坯件，经数控加工、抛光后装配试模，最终完成产品试制。
通过3D打印随形水道完成本案注塑模具制作，进一步探索基于3D打印技术的注塑模具随形水道的实践应用，逐步推广该工艺在小批量产品生产中的应用。
关键字：3D打印随形水道模具制造0 引言目前国内3D打印技术的工业应用主要集中在产品设计中的手板制作，以实现快速成型，验证设计。
而在模具制造中的应用由于受限于现阶段材料和机床本身性能、加工范围的限制，更多地是处于应用探索阶段。
目前市场上3D打印随形水道主要集中与两类，一是基于选择性激光熔化(Selective Laser Melting,简称SLM)成型技术,即利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型，直接打印出模具的型腔和型芯等。
二是通过选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)，使用粉末状材料，激光器对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，材料层层堆积成型。
由于工业级3D打印设备昂贵，技术替代还需市场验证，市场普及率较低。
针对目前市场存在的痛点，本案结合3D打印技术研究探索3D打印随形水道在传统模具制造中的应用。
1 模具设计分析本文以笔者所在学校3D打印工作室心形水杯（如图1所示）注塑制作为例探索3D打印随形水道技术在注塑模具制造中的实践应用。
心形水杯形状简单，杯口为心形状，杯体有较大斜度，杯壁厚度均匀，要求内外表面光滑，材料环保。
图1 心形水杯造型心形水杯为小批量个性化定制产品，由于传统模具制造周期长，成本较高，所以本案通过SLS技术使用覆膜砂打印随形水道母模，然后进行浇注做出坯件，加工坯件随形水道的型腔、型芯，与模架装配试模，注塑样件等完成心形水杯的制作。
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基于3D打印的随形冷却流道注塑模具设计与制造
一、3D打印随形冷却注塑模具
传统注塑模具包括成型零件、导向部件、浇注系统、脱模机构、抽芯机构、排气系统、温控系统和其他结构零件等部分。
其中60%的产品缺陷来自不能有效地控制模具温度，因为冷却过程在整个注塑过程中的时间最长，有效的冷却系统就尤其关键。
不同因素对模具造成缺陷的影响程度
注塑过程所占时间比
传统模具采用直线型冷却水道，冷却效率低。
新型模具将冷却水道形状依据产品轮廓的变化而变化，模具无冷却盲点，有效提高冷却效率，减少冷却时间、提高注塑效率；水道与模具型腔表面距离一致，有效提高冷却均匀性、减小产品翘曲变形，提高了产品质量。
传统直线型冷却水道随行冷却流道设计随形冷却流道位于刀具的加工盲区，传统的加工方法无法实现，而3D打印技术通过层层制造的方式加工内部复杂流道，是实现此类结构的有效加工手段。
采用3D打印技术制造的主要部件是成型零件和冷却系统，不仅简化了制造工艺，同时也方便了随形冷却水道的设计，提高了设计的效率，随形性更为理想，可以更好的减少缺陷。
3D打印的随行冷却水道
二、3D打印模具与传统模具的优劣势
传统的模具制造需要经过图纸设计、工艺审查、可制造性分析、设计工艺、编程、加工等流程，步骤繁琐，花费时间较长，且涉及较多的人工参与及工具使用。
3D打印的突出优势就是设计的无限性、较少的人工参与、优秀的成型质量以及工期的大大缩短，仅需要模具的三维模型即可输入打印机自行加工，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。
制造过程对比
3D打印的零件表面具有一定的粗糙度，表面无法达到镜面效果，直接打印的模具需要经过喷砂和机加工消除细小的台阶，螺纹孔需要进行切削或攻丝，小于1mm的孔必须钻，更大的孔需要扩孔或者钻孔。
这些二次处理很大程度上削弱了3D打印模具的速度优势。
三、随形冷却流道设计与制造
3D打印随形冷却流道首先要根据客户的需求进行流道设计，经过模流分析之后即可进行打印，这个产品制作过程需要考虑材料、工艺、制作周期以及成本。
设计在整个随形冷却流道的制作过程中最为重要，基准计算与模流分析保证了模具的冷却效果，流道的形状设计将影响能否成功打印。
随形冷却流道制造流程
随形冷却流道设计—基准计算
模流分析
3D打印随形冷却流道由于使用金属粉末作为材料，应尽量避免支撑，即较大悬空面的出现。
可以通过改变流道的形状、倾斜角度等方式避免打印失败，同时流道的设计应避免死水区，流道尽可能靠近浇位面，且流道到型壁的距离尽可能大于等于管径。
改变流道的形状、倾斜角度
四、案例分享
1. 汽车水杯架存在的问题：生产周期长，翘曲变形冷却面积：增加4倍
传统模具注塑周期：78 S
随形冷却模具注塑周期：42 S
翘曲变形：减小57.5%
2.路由器壳体存在的问题：生产周期长
传统模具冷却时间：15S
随形冷却模具冷却时间：6.7S
路由器壳
路由器壳体随行冷却水路
3.路由器壳体存在的问题：生产周期长，四角容易发生翘曲变形
传统模具冷却时间：78.7 S
随形冷却模具冷却时间：41.9 S
翘曲变形：减小23%
路由器壳体随行冷却水路
4.灯罩存在的问题：生产周期长，部分地区散热不足导致翘曲变形
传统模具冷却时间：9.4S
随形冷却模具冷却时间：6.5S
翘曲变形：减小5%
5. 扇叶轮存在的问题：生产周期长
传统模具冷却时间：43.5S
随形冷却模具冷却时间：32.1S
扇叶轮注塑件
传统直线型水道与随行冷却流道模具图
随行冷却模具6. 风扇叶片。