适用于低成本小批量生产： 外部冷却的模具嵌件方案

注塑模具通常由钢材制成，其设计也很复杂。顶出器的定位难度极大，因为它通常需要与温控装置的安装和用于脱模底切的滑块相协调。独立部件的加工及组装包括返工都遵循同一原则。所有这些步骤的工作强度都非常大，需要数月才能做好生产准备。

标题图：拆解的塑料模具嵌件、组装在模具内的嵌件、注塑成型后脱模并通过水浴冷却的部件（从左到右）©比勒费尔德应用科学与艺术大学

因此，即使是较小的模具，其成本也高达五位数。这些成本当然由下游制件生产商来承担。但是，除了大规模生产之外，导致生产数量较少还有以下几个原因：

◆ 原型和试制生产。
◆ 更短的产品上市时间。制件先在模具中用较短的制造时间生产，直到模具适合投入大批量生产。
◆ 从产品定制到批量生产需要从 1 开始。

上述情况中的模具成本占比很高，制件利润则随之降低，项目最终可能没什么效益。

模具通常由铝合金制成。虽然这类模具更易加工，但使用的材料却更昂贵。其开发和生产过程与钢模相当，同样非常耗费人力和时间。铝的热膨胀率较高，因此在开发和生产过程中必须对此加以考虑。

在可接受的模具成本范围内进行小批量生产

作为一种替代方案，一次成型工艺在工件生产中越来越受欢迎。其中采用了增材制造和聚氨酯真空成型技术。但是，单个部件的成本仍然非常高。这些工艺在材料选择方面也受到限制，而且几乎不可能使用玻璃纤维增强材料。典型的注塑成型特性（如残余应力、翘曲和表面质量）都无法再现。这导致原型不切实际或部件无法发挥其功能。

为了能够在可接受的模具成本范围内进行小批量注塑成型，用户更多地转向使用由聚合物材料制成的模具。在一些情况下，嵌件被模制在生坯和顶出系统周围。首先要生产生坯，并且在成型过程中还必须考虑到分型线和顶出系统。这个手动加工步骤之后是后处理工艺。

增材制造的模具嵌件则没有那么复杂，而且可以快速获得。在一个特定的应用场景中，其交货时间从十周缩短到了十天。制件数量通常为50-100件，目前市场可增加到500-1000件。但是，这种方法也存在缺点，概述如下。
    
冷却通道不起作用的原因

由于导热性低，聚合物模具嵌件不能快速散热，熔体固化极其缓慢。型腔升温过高，无法实现均匀且可重复的温度目标。

这一点可以通过使用了接触温度公式的实例计算来说明。假设型腔为模具钢以及铜和铝合金。如果是塑料嵌件，则选用ABS作为型腔。型腔的目标温度应为60°C，熔体则为220°C。这清楚地说明了聚合物型腔的问题：金属模具的接触温度范围在62-70°C之间。相比之下，ABS-ABS的接触温度约为 145°C（图1）。

图1：将塑料注射到不同型腔材料上时的接触温度以及从型腔到冷却通道的温度曲线的定性表示（来源：比勒费尔德应用科学与艺术大学；图：© Hanser）

温度曲线也在图表中作了概述。塑料型腔内温度的快速下降清楚地表明，热量仍滞留在型腔附近，只是消散速度非常慢。
冷却时间是根据一个新公式估算的。如果是模具钢，计算结果约为12秒，铜和铝合金则约为4-6秒。相较之下，塑料嵌件的冷却时间为680秒。这意味着冷却通道没有起到作用，因为热量一开始就没有到达冷却通道。

图2：传统钢模具与塑料模具的加热行为比较（来源：比勒费尔德应用科学与艺术大学；图：© Hanser）

塑料的热性能会导致其在加工过程中和被用作模具嵌件时出现问题。准稳态行为只能通过极长的冷却阶段来实现。温度峰值出现时，型腔内的目标温度已超出，可复制工件的稳定工艺也无法实现。型腔加热也会对模具嵌件的机械性能产生影响：

◆ 随温度变化的弹性模量降低，导致变形。
◆ 无法施加常见的注塑压力和保压压力。
◆ 模具嵌件的使用寿命缩短。
◆ 尖角产品的设计选择变少，狭窄区域无法重复模制。

热量聚集处的快速散热

由于热量滞留在型腔附近，因此在那里消散热量最为合适。这就需要外部冷却。型腔可以持续冷却直至达到所需的目标温度。通过比较发现（图2），当钢模处于准稳态范围内时，塑料模在持续升温。图中还显示了带有外部冷却的聚合物模具。根据目标温度的不同，具有可再现质量的准稳态从第一次注射开始即可实现。

图3：模具通过水浴进行外部冷却的方法（来源：比勒费尔德应用科学与艺术大学；图：© Hanser）

以前的方法是用压缩空气进行外部冷却。由于型腔受局部流动的影响，压缩空气无法对型腔进行均匀散热。底切难以到达，冷却能力通常不足以冷却热区。

另一种新的外部冷却解决方案利用了水，但方式特殊。与SPM工艺（Space Puzzle Mold）一样，模具嵌件被插入模具中。注塑成型后，不仅工件会脱模，模具嵌件也会离开主模具。SPM工艺通常没有主动冷却，但在新方案中，模具会在顶出后通过水浴冷却（图3）。

通过水浴冷却的SPM工艺

模具嵌件由多个独立的松动部件组成（图4），部件数量取决于其复杂程度。这些部件组装形成模具嵌件。其设计简单，外形仅受限于制件。它具有以下优势：

图4：由独立的松动部件组装而成的模具嵌件（左）、模具组件和注塑件的爆炸图（右）© Hanser

◆ 无需集成的冷却系统。
◆ 如果没有顶出器，制件上不会出现任何痕迹。
◆ 在这种“可拆解”的模具中，底切无需滑块即可去除。

只有接触点需要重新考虑：间隙尺寸应足够窄以确保安全安装，并避免二次成型，但又要足够大以排出型腔。

生产使用合成树脂Rigid 10K Resin在SLA 3D打印机（型号：Form 3+；制造商：Formlabs）上进行。松动部件和模具嵌件之间0.05-0.1mm的圆周间隙可确保牢固连接。增材制造的模具嵌件和松动部件的返工只为了去除构建平台上与打印相关的突出物。

总周期时间可以缩短

一个模具嵌件脱模时，另一个模具嵌件可以直接插入并开始下一个周期。与此同时，热的嵌件冷却至目标温度。通过这种方式，嵌件的插入阶段和冷却阶段并行运行。为了加快生产速度，至少交替使用两个批次组（图5）。与先前快速制模过程中的冷却方案相比，该方案能够缩短整个周期时间。

图5：用于两个批次组的工艺步骤（来源：比勒费尔德应用科学与艺术大学；图：© Hanser）

注塑工艺所用的材料是聚丙烯（型号：Hostacom PPR 1042；制造商：LyondellBasell）（熔体温度220°C）。目标温度最高为55°C。水浴冷却的平均周期时间约为62秒，与纯空气冷却相比缩短了约15秒。模具温度可降低16-39°C。因此，采用水浴冷却可以更快地达到55°C的目标温度。此外还应考虑使用不同的批次组。如果使用水代替压缩空气进行冷却，则需要减少一个批次组。用压缩空气冷却型腔的周期时间比水冷长8秒。相较之下，用纯空气冷却型腔的周期时间约为218秒（一个批次组）（表1）。

表1：不同冷却工艺的比较（来源：比勒费尔德应用科学与艺术大学）

在测试系列期间，共生产了 165 件产品。批次组的最高周期次数为 80件。批次部件上未发现任何外部损坏，因此有可能实现大批量生产。

结果非常令人满意：空气夹杂物、气孔和表面损伤均未发现。因二次成型而形成的轻微毛刺（标题图）可用手术刀去除，这对于小批量产品来说是可以接受的。随着经验的增长，这种情况也会减少。

模具冷却的新方法——甚至适用于金属模具

通过完全或部分顶出模具进行外部冷却为原型和小批量生产创造了新的机会。模具可以通过省去复杂的设计和温控顶出系统来快速生产，从第一次注射开始就达到准稳状态。因此，总周期时间有望缩短，使用寿命将会延长，每件产品的模具成本较之前显著降低。

这种冷却和设计方式同样适用于金属模具和与热区有关的问题。它能够仅脱模该区域，模具的其余部分仍留在主模具中。使用金属模具的另一个好处是可以使用范围更广泛的塑料，包括那些填充纤维的塑料。

考虑到产品质量，必须完全干燥型腔嵌件。以前的手动步骤应由自动化取代，它能够干燥潮湿的松动部件并将其插入主模具。模具技术也需要重新考虑。注射过程完成后，立即更换嵌件。生产新工件时，固化在主模具外部进行。

本文翻译自Plastics Insights杂志
作者：Dr.-Ing. Stephan Kartelmeyer，Finn Welling, B. Eng.， Prof. Dr.-Ing. Christoph Jaroschek

来源：荣格-《国际塑料商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。