汽车模具商发现新的模具及冷却技术

优胜设计史勇老师

长期以来，对于具有细长芯杆结构的模具而言，缩痕是经常会遇到的“不可能”的冷却挑战。直到最近，能处理这个问题的可选方案也很有限。但是，有一家模具商凭借新的模具及冷却技术打破了这种“不可能”观念。

来自于密歇根的PTI Engineered Plastics公司是一家成立于1984年的私营公司。它的业务，医药行业占比50%，汽车行业占比35%，其他业务包括国防，电子和消费品。155,000 ft²的工厂拥有46台注塑设备，吨位从12吨至750吨。目前员工数为250人。

公司一半的业务为试制和短周期的项目。“我们的最佳产量是5万至15万件，” 公司设计/新技术/技术学院的主管经理，Scott Kraemer说：“我们公司有的医药行业的客户一年只生产5000至2万件小批量产品。”

PTI主要使用QC-10的自制铝模用于试制和短周期的项目。对于长周期的项目，PTI也设计制造钢模或者“混合”模具，及模架为铝材，型芯为钢材。Kraemer 的职位描述很长，正如他自己所说：“我带了很多顶帽子。”其中两项职责包括负责模具设计和新技术开发，这两方面在克服模具冷却的挑战中均扮演重要角色。他的第三个职责是负责为高中生介绍制造业生涯的PTI技术学堂。

液态CO2局部冷却技术

液态CO2局部冷却技术几年前源于欧洲，2012年由Linde North America公司引入美国。这一技术是指将液态CO2在一定压力下注入模具的特定部位，这些部位传统的水冷系统很难给模具散热。液态CO2一旦从加压管中释放出来，就会膨胀成一种“雪和气”的混合物，温度降至-79 C (-110 F)。正是这种固-气相变能，让它具有很高的冷却能力。

“液态CO2能进入水很难进入的狭小空间，”Kraemer说：“同时你不必担心需要一个回路将CO2排出，因为它变成气体从模具中排出来了。”在过去一年多的时间里，PTI已经在超过6副模具上运用了液态CO2局部冷却技术，这些模具有的是一模8腔，有点是一模48腔。其中一个案例是一家医用设备客户的聚碳酸酯材质的机器面板。这款面板尺寸为15*18 in，2.5in深，通过芯杆的局部冷却解决了一个缩痕问题。Kraemer说：“这样即解决了缩痕问题，同时没有导致生产节拍的变化。”


Kraemer引用的另一个案例是另一款透明尼龙材质的医用零件，直径是0.25in(6.35mm)，长1.5in（38.1mm）。它的芯杆直径仅有2.54mm。Kraemer说：“芯杆里面不可能进行水冷。成型周期为38至40秒的话，就超出了报价的要求。因此我们在芯杆上切出一个洞，注入液态CO2。成型周期降至26秒。”


Kraemer认为，对于有外观质量问题或者过长的成型周期的“问题模具”，液态CO2局部冷却是个不错的选择。Kraemer正着手设计从一开始就带有液态CO2冷却的模具。他说：“这让我们能够让以前不能冷却的地方成为可能。”Kraemer正尝试一种环绕零件轮廓的随形的液态CO2冷却管路。

带液态CO2的激光烧结成型的模具

为液态CO2局部冷却设计模具组件的一种方法是加法制造（或称之为3D打印）。使用金属粉层积制造型腔镶件或者其他部件，能允许你在模具的任何位置设计任何形状的冷却通道，而且不增加额外的成本。Kraemer从去年10月开始尝试这种直接金属烧结成型（DMLS）的方式，已经制造出直径为3in，7in长的型芯镶件，并且带有随形冷却通道。图片展示的是通过DMLS制造的带有0.04in直径的水冷却回路的芯杆。为了将冷却效果达到0.1in直径的效果，Kraemer制造了另一方案的芯杆，使用LCO2的冷却通道，直径为0.4in。

Kraemer同时发现运用DMLS技术可以制造类似格栅结构的模具镶件，并能保持高的强度。尽可能地减少了金属的用量，部件重量大为降低，并且具有更快的冷却效果。