快速原型注塑模具变形的现场监测外文翻译资料

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快速原型注塑模具变形的现场监测

背景：当今塑料行业对降低成本和缩短上市时间的需求不断增长，这使得快速加工和快速成型成为一个高度研究的领域。 3D 打印注塑模具嵌件可以快速且经济高效地生产小批量原型零件。 与传统的钢对应物相比，3D 打印聚合物注塑模具嵌件的机械强度和预期寿命较低。 为了提高聚合物模具嵌件的可靠性和预期寿命，注塑成型过程中的原位状态监测是必不可少的。 在本文中，我们分析了热载荷和机械载荷对模具镶件产生的应变的影响。 三个系列的矩形板产品被注塑成型，每个系列都有不同类型的嵌件。 在注塑成型过程中测量了型腔内的压力和 3D 打印插件的应变。 我们将最大型腔压力和应变变化相互关联，以建立刀片的变形特性。 结果表明，最大型腔压力和刀片的应变变化之间存在令人满意的相关性。 第二个重要结果是应变仪可用于在注塑成型过程中现场监测嵌件的状态。

1. 简介

在当今的塑料加工行业，缩短上市时间的动力以及 3D 打印等新型增材制造技术的出现，使快速模具成为研究人员和行业等关注的焦点 [1]。 3D打印模具嵌件的应用是一个很有前景的研究领域。 3D 打印允许生产各种几何形状的零件，为设计工程师提供了自由。 在大批量生产中，通过直接金属激光烧结 (DMLS) 制造的 3D 打印金属嵌件是传统注塑模具的替代品 [2]。 对于小批量的生产，可以使用聚合物模具嵌件。它们通常由选择性激光烧结 (SLS)、立体光固化成型 (SLA) 或 PolyJet 技术制成 [3,4]。 已经进行了几个案例研究来证明增材制造嵌件的模内适用性。

研究人员通过一系列实验室规模的案例研究证明了增材制造的注塑模具和模具嵌件的适用性。 Leoacute;n-Cabezas 等人。 [5] 通过 3D 打印（PolyJet 技术）从 ABS 类光聚合树脂和其他技术制备注塑模具原型。 用于注塑成型的材料是弹性聚乙烯、聚丙烯和 ABS。 作者制作了两种不同类型的模具，一种用于拉伸试样，另一种用于陀螺玩具。 陀螺模具共经历了 20 个注塑周期，而拉伸试样模具在 12 个周期后破裂。Whlean 等人。 [6] 通过机械加工用铝制造了一个主单元模具。 该模具用于容纳由 SLA 由高温 (HT) 树脂生产的模具嵌件。 用这种模具制成的产品是一个镊子状的夹子，20次射出后，模具嵌件开始断裂。 阿里等人。 [7] 通过基于大桶的光聚合创建了增材制造的模具插件。 注塑材料是 ABS，他们使用了两个未老化和四个老化的嵌件。 在注塑成型过程中，他们检测了裂纹的位置，并测量了与裂纹萌生和嵌件严重失效相对应的周期数。 未老化的刀片在 70 和 95 次循环后出现裂纹，在 110 次和 143 次循环后出现严重失效。 在老化刀片的情况下，初始裂纹发生在 50、30、8 和 12 个循环，失效分别发生在 110、85、35 和 45 个循环。 这些结果表明，首先，这些模具嵌件适用于小批量应用；其次，热老化对模具的预期寿命有负面影响。Cheah等人。 [8] 使用间接快速软工具方法生产移动电话前壳。 在他们的工作流程中，他们首先使用 SLA 制作了一个主模型，然后他们在主模型周围浇注铝填充环氧树脂以创建型腔，然后是模具的核心部分。 在树脂适当固化后，他们对其进行加工以达到所需的尺寸精度和表面质量。 他们使用嵌件生产两个系列的零件。首先，他们使用 PC/ABS 树脂并设法达到 200 次循环而没有明显的工具磨损。 其次，他们使用 PC 等级，并在 400 次循环后观察到模具型腔侧的裂纹线。

从前面的结果可以看出，增材制造的模具镶件的应用是一条新的可行的路线。 通过使用 3D 打印技术，可以生产带有随形冷却通道的模具嵌件。 这是一个深入研究的领域，因为随形冷却通道减少了循环时间并提高了生产率 [9,10]。Park等人。 [11] 应用通过选择性激光熔化 (SLM) 制成的 3D 打印金属嵌件来减少汽车零件几何复杂部分的冷却时间。 这些增材制造嵌件的设计得到了注塑模拟的支持。与传统冷却相比，随形冷却通道减少了大约 30% 的循环时间。 随形冷却的另一个优点是提高了感兴趣区域的表面质量。Brooks等人。 [12] 将传统和随形冷却通道的有效性与他们引入的随形冷却层的概念进行了比较。 他们通过仿真展示了随形冷却方法与传统冷却通道相比的优势。 随形冷却的应用不仅限于注塑成型。Au等人。 [13] 在塑料瓶吹塑的情况下，通过注塑模拟证明了保形冷却通道的有效性。Tomasoni等人。 [14] 应用拓扑优化设计热成型模具的随形冷却布局。Wu等人。 [15] 创建了一种基于有限元的优化方法来设计随形冷却。 由此产生的几何形状可以通过 3D 打印制造：SLA 或粉末床融合 (PBF)。

原型模具也出现在特定的注塑成型应用中[16]。 Kalami 等人。 [17] 创建了一种小批量注塑模具，用于通过包覆成型生产电缆束。 他们应用了一种混合模具制造方法，在其中挤出了一种牺牲产品形状的图案。 然后，他们使用这种模式生产树脂基嵌件，然后将其插入金属模具底座框架中。 作为另一个特殊的应用领域，Vaezi 等人。 [18] 做了一个案例研究，他们首先将蜡模注塑到铝填充的环氧树脂模具中，然后在蜡模上涂上陶瓷，然后去除蜡，最后他们使用陶瓷壳生产燃气轮机叶片。 对于蜡模的注塑成型，他们使用了快速模具 (RT) 技术，即环氧树脂模具和硅橡胶模具。 他们的结论是，EP 树脂模具的应用是燃气轮机叶片小批量生产的一种新的、具有成本效益的解决方案。

文献中对聚合物和金属注塑模具进行了几项比较研究。 Jahan等人。 [19] 介绍了一种用于保形冷却通道设计的耦合热流体拓扑优化算法。 他们做了一个案例研究，包括模芯的设计和模拟，金属3D打印制造，热处理和精加工，以及模具注塑成型。 他们比较了机加工核心和AM核心的冷却性能，发现AM核心能够在工业环境中制造塑料产品。 当由具有适当导热性和其他热机械特性的粉末制成时，AM 磁芯可以替代传统的机加工磁芯。 Hopkinson等人。 [20] 比较了两个具有粗糙和光滑表面的铝注塑模具型芯嵌件与由立体光刻法制成的型芯嵌件。 他们比较了顶出力、通过刀片的热传递和产品的表面粗糙度。 所有模具都能够生产 50 多个聚丙烯零件，而没有任何工具或零件损坏的迹象。他们比较了顶出力、通过刀片的热传递和产品的表面粗糙度。 所有模具都能够生产 50 多个聚丙烯零件，而没有任何工具或零件损坏的迹象。 他们的第一个结论是，SL 型芯需要较低的加工参数值（锁模力、注射速度和注射压力）以避免机械故障。 其次，他们发现平均表面粗糙度没有显着变化，表明工具磨损在小批量生产中可以忽略不计。第三，与他们的预期一致，SL 工具和粗铝工具的表面粗糙度越高，顶出力越大。 第四，SL 模具的显着较差的导热性增加了循环时间，因为模具在部件被顶出后需要额外的冷却时间。 Mendible 等人。 [21] 对由增材制造和传统制造技术制造的注塑模具嵌件进行了比较研究。 他们使用 PolyJet 技术从 Digital ABS 生产了一个 3D 打印的聚合物插件、一个 DMLS 的青铜插件和一个机加工的不锈钢​​插件。 他们发现青铜和不锈钢嵌件的性能以及用它们注塑成型的产品的质量相似，并且两种嵌件都经受了 500 次循环，没有任何故障迹象。 PolyJet 插件在 80 次循环后开始生产有缺陷的零件，在 116 次循环后出现故障。 另一个结果是 PolyJet 嵌件冷却得更慢，这增加了成型产品的收缩率和结晶度。Kampker等人。 [22] 制造了三个用于生产拉伸试样的模具插件。 他们还制作了夏比冲击试验样品。 这些刀片由铝（通过传统加工）、数字 ABS（通过 PolyJet 技术）和 PA 3200 GF（通过 SLS）制成。 他们发现测试样品的机械性能存在显着差异，尤其是断裂伸长率。 与使用铝制工具制成的试样相比，使用聚合物工具制成的拉伸试样的断裂伸长率显着降低。 作者声称，这种脆化的一个可能解释是由较低的导热率和较高的聚合物模具表面粗糙度引起的样品的不同形态结构。 塔比等人。 [23] 比较了由传统钢模具和 PolyJet 模具嵌件生产的注塑 PLA 板的热、机械和热机械性能。 与使用钢模具制成的板材相比，使用 PolyJet 嵌件生产的板材具有显着更高的结晶度。 结晶度的差异主要是由于 PolyJet 模具的低导热性以及由此产生的较长冷却时间。

尺寸精度是注塑行业的主要关注点。 Martinho等人。 [24] 创建了一种具有可互换块的混合模具，由传统​​加工和快速加工技术生产。 他们分析了不同型芯和型腔材料组合（环氧树脂复合材料和钢）等对收缩率的影响。 他们发现，使用树脂芯时，零件的收缩率增加，这部分是由于注射压力引起的树脂芯变形。 Harris等人。 [25] 比较了由两种不同几何形状的模具嵌件制成的注塑件的收缩特性。 刀片由 SLA 使用市售树脂和铝加工制成。 这些部件由 PA66 和 ABS 注塑成型。 他们发现，在 SL 工具中注塑成型时，PA66 的收缩量是铝工具中的两倍。 另一方面，他们发现 ABS 零件的收缩率没有这种差异。 他们还展示了塑料工具的热膨胀对最终产品收缩的影响。

文献综述的结论是，聚合物模具嵌件目前仅适用于小批量和原型生产，因为与金属嵌件相比，它们的机械强度和刚度较低。 由于这些有限的机械性能，必须仔细调整注塑成型的加工参数。 适用的保压压力低，因此零件收缩的补偿受到限制。 在文献中，我们没有找到讨论在注塑成型过程中对 3D 打印模具嵌件进行全面的原位和实时状态监测的研究文章。 在本研究文章中，我们的目标是为一种新的模具镶件原位温度和应变状态监测方法奠定基础。 通过这种连续状态监测，可以增加刀片的预期寿命以及处理参数可以更精确地调整。

2. 材料与方法

2.1. 应用的模具和模具嵌件

采用增材制造的模具嵌件，并在嵌件的背面测量应变。 应变片的位置和模具嵌件的尺寸如图 1 所示。在嵌件的背面准备了一个矩形切口（10 mm times; 7 mm x 2 mm），用于连接到 应变计。 应变仪是 HBM 1LY11-3/350，其数据由 Spider 8 单元收集。 型腔压力由 Kistler 6182 B 压力传感器直接测量，其数据由 Como Injection 2869B 数据采集器采集。

将嵌件放入四腔钢模具外壳中。 在注塑成型过程中，四个型腔中的三个被金属嵌件堵塞，只有一个用于图 1 所示的模具嵌件。图 2 显示了模具的可移动半部、顶出系统和嵌件的布置。

2.2. 材料

用于注塑成型的 3D 打印模具嵌件采用 PolyJet 技术（Objet Alaris 30，Objet Geometries Ltd.）生产。该材料是商品名为 FullCure 720 的环氧丙烯酸酯。该材料由 Stratasys Ltd. 制造，其性能如表 1 所示。 这些部件由均聚聚丙烯注塑而成； 它的商业名称是 Tipplen H145 F。它是从 MOL Group Public Limited Company (Hungary) 购买的。 材料的相关性能见表2。

2.3 3D 打印模具镶件状态监测方法的开发

我们假设模具镶件的变形有两个主要原因。 首先是注塑成型过程中温度升高导致的热膨胀。 二是机械变形，主要由型腔压力引起。 我们在注塑成型前测量了热膨胀的大小，并将这种测量称为热校准。

3.1。 热校准和初步实验

模具嵌件在注塑成型过程中有两个主要负载。 第一个是机械负载（夹紧、型腔压力等），第二个是热负载。 当我们测量模具嵌件的变形时，由热负荷引起的热膨胀在评估中起着重要作用。 另一方面，聚合物模具嵌件具有比钢嵌件高一个数量级的热膨胀。

在热校准期间，我们的目标是显示刀片温度对测量变形的影响。

图 2. 模具外壳的可移动半部分、顶出系统和镶件。

表 1 Stratasys FullCure 720 的物理特性。

表 2 Tipplen H145F 的典型物理性能。

图 1. 模具嵌件及其背面应变片的位置。 （所有尺寸均以毫米为单位）。

在热校准之前，应变仪被粘在模具嵌件的背面，如图 1 的右侧所示。然后，将 Ahlborn Almemo NiCr-Ni T 190-0 热电偶放置在应变仪旁边 测量插入物的温度。 使用耐热胶固定热电偶。 热电偶连接到 Ahlborn Almemo 8990-6 数据采集器单元。 将嵌件放入模具内，然后将组件放入 Faithful WGLL-125 BE 干燥箱中进行控制加热，并对随后用于注塑成型的嵌件进行热校准。 这些刀片的壁厚分别为 4 mm、5 mm 和 6 mm。 在图 1 的左侧可以看到不同壁厚的解释。

在嵌件加热期间，应变仪和热电偶的信号被记录下来。 在热校准图中，应变显示为温度的函数，如图 3 所示。很明显，应变与温度接近线性关系，最高可达约 45°C。这个阈值温度的存在很可能 由于镶件达到金属模具型腔的最大体积，因此无法进一步膨胀。

图 3 显示由热膨胀引起的最大应变在 0.15 – 0.17% 的范围内。 在每个注塑成型周期中，实时测量模具嵌件的温度和应变，以现场监测变形和操作温度范围。 另一个重要目标是将温度保持在 Tg 以下，以防止刀片过早失效。 温度测量的一个显着好处是可以确定注塑周期之间的必要延迟时间。 通过在循环之间保持足够的冷却时间和延迟时间，背面的最高刀片温度为 30-35 ordm;C，刀片温度的变化仅为 5-10 ordm;C。基于这些结果，热负荷仅具有 对测量应变的影响很小。

3.2. 注塑系列的填充测试和准备

热校准后，对具有三种不同壁厚（4 mm、5mm和 6 mm）。 首先，我们进行了一次充模测试，以找到不同短射所需的最大注射压力。 充填特征

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