射出成形のコンフォーマル冷却には将来1,500台の金属3Dプリンターが必要になる

Antarctic Bearが調べた関連情報によると、射出成形金型のコンフォーマル冷却技術は、1997年にマサチューセッツ工科大学のサックス教授によって初めて提案されました。同教授は、この技術が3Dプリントの4つの最も重要な用途の1つになると信じていました。 3Dプリント技術は20年間にわたり継続的に開発され、金型業界でもこの技術の大規模な応用が確認されています。アンタークティックベアによれば、一部の金型メーカーの中で、コンフォーマル冷却金型事業は現在、全事業の40％を占めているという。
アンタークティック・ベアが発表したレポートでは、「今後10年間で、中国の金型産業には1,500台の金属3Dプリンターが必要になる」という結論が出ている。

射出成形金型のコンフォーマル冷却法は従来の冷却法とは異なり、冷却水路の形状は射出成形製品の形状に応じて変化し、従来の直線ではなくなります。 3D プリント技術は、冷却水路の製造におけるクロスドリリングの制限を回避できます。3D プリントで印刷されたコンフォーマル冷却水路は、冷却要件に応じて異なる冷却回路を設計できるため、一定の速度で熱を放散し、均一な熱放散を促進します。
金型メーカーにとって、金型の品質は射出成形の生産効率と製品品質を直接決定し、製品の付加価値を決定するため、最小サイクル時間内でプラスチック製品をいかに効率的に冷却するかがコンフォーマル冷却射出成形金型の設計および製造プロセスにおける重要な考慮事項となり、この期間中に冷却が重要な役割を果たします。
コンフォーマル冷却の原理は、プラスチック部品の温度を均一かつ連続的に急速に下げることです。射出成形部品は、冷却プロセス中に金型から取り外すことはできず、完全に冷却された後、射出成形部品が金型から取り外されます。ホットスポットがあると、射出成形部品の射出成形サイクルが遅れ、脱型後に射出成形部品が反ったり沈んだりする原因となり、成形部品の表面品質が損なわれる可能性があります。急速冷却は、金型内のチャネルに冷却剤を流すことによって、成形部品から熱を除去するプロセスです。この冷却効果の速度と均一性は、流体チャネルと、そこを通過する冷却液の速度によって決まります。

従来の金型では、クロスドリリングによって冷却水路が形成され、内部ネットワークが形成され、内蔵の流体プラグによって流量と方向が調整されます。金型冷却水路の製造に金属 3D プリント技術を適用することで、冷却水路設計におけるクロスドリル法の限界を打ち破りました。現在、金型設計会社は、金型の冷却面により近く、角が滑らかで流れが速く、冷却効率が高いコンフォーマル水路を設計できます。

従来、金型内の冷却チャネルは二次処理によって実現されていました。クロスドリリングにより、直管の内部ネットワークが生成され、内蔵の流体プラグによって流量と方向が調整されます。この方法には限界があります。水路ネットワークの形状が制限されるため、冷却チャネルが金型の表面から遠くなり、冷却効率が低くなります。それだけでなく、追加の加工および組み立て時間のリスク、および死角チャネルネットワークがブロックされるリスクにも直面する必要があります。また、複雑なケースでは、冷却チャネルの加工を予約するために、金型を製造用にいくつかの部分に切断し、その後金型全体に接合する必要があり、これにより製造リンクが追加され、金型の寿命が短くなります。

コンフォーマル冷却と従来の冷却の違いは、冷却チャネルの形状が射出成形品の形状に応じて変化し、直線ではなくなることです。この冷却チャネルは、従来の冷却チャネルと金型キャビティ表面の距離が一定でない問題を解決し、射出成形品を均一に冷却し、より高い冷却効率を実現します。

3D プリント製造により、クロスドリリングの制限から解放されます。現在では、内部チャネルを金型の冷却面の近くに設計して、角を滑らかにし、流れを速くし、冷却剤への熱伝達効率を高めることができます。また、冷却要件に応じて異なる冷却回路を設計して、一定の速度で熱を放散し、放熱の均一性を促進することもできます。通過する冷却剤の量は金型の冷却速度にとって重要であり、チャネルに沿った圧力損失を減らすために滑らかなコーナーを設計する必要があります。

金属粉末選択的レーザー溶融（SLM）3Dプリント技術では、直径1.4 mmの冷却チャネルも製造できることが報告されています。粉末積層 3D プリントの利点の 1 つは、粉末溶融によりわずかにテクスチャのある表面が作られることです。このテクスチャにより冷却接触の表面積が拡大し、熱伝達が向上して冷却効率が向上し、チャネル内に小さな乱流が生成され、セルフクリーニング効果が得られます。 3Dプリントで製造されるコンフォーマル冷却射出成形金型は、射出成形効率を70％以上向上させることができます。例えば、アイススクレーパー金型は積層造形法で加工することができ、射出成形サイクルを80秒から40秒に短縮することができ、射出成形部品の生産速度が2倍になったことを意味します。

付加製造されたコンフォーマル冷却金型のその他の主な利点としては、より均一で欠陥のない成形部品と、不均一な冷却速度によって生じる収縮マークの回避が挙げられます。さらに、新しい射出成形製品を開発する場合、より少ない反復で新製品の開発を完了するのに役立ちます。
もちろん、その他の利点としては、複雑な金型を製造する場合、積層造形法では冷却チャネルの処理と接合の手順が削減されるため、従来の方法よりも高速になることが挙げられます。

なお、積層造形で製造された金型の表面精度は高くなく、その後の仕上げや研磨によって必要な表面精度を得る必要があることに留意する必要があります。このリンクでは、従来の機械加工と積層造形の利点が相互に補完し合います。

2007年、Shi Yusheng、Wu Zhigangらは、離散/集合モデルに基づくコンフォーマル冷却水路の設計法を提案し、円形、楕円形、半楕円形、U字型断面の冷却水路の熱伝達モデルを確立し、選択的レーザー焼結（SLS）技術を使用して香箱の鋳型を製造することに成功しました。

3D プリント方式で加工される冷却水路の断面形状は多様で、U 字型、円形、楕円形などになります。コンフォーマル冷却水路はSLM成形プロセスを使用して3Dプリントされ、円形断面が選択されています。これにより、コーナーでの熱応力の蓄積が軽減され、射出成形時の応力集中による金型の損傷が回避されるだけでなく、従来の射出成形金型冷却水路の設計経験をより正確に活用して、金型の壁温度をより適切に制御できます。特定のインペラプラスチック部品の冷却は、端面とブレードの 2 つの部分に分けられます。具体的な冷却計画は次のとおりです。

（１）キャビティの冷却方式
スキーム1では、冷却水チャネルの直径は3mmであり、パイプには1つの水入口と1つの水出口があります（図2aを参照）。
方式2では、冷却水路の直径は4mmで、冷却水路の全体的な形状は図2bに示すように環状である。
スキーム3では、冷却水チャネルの直径は3mmであり、図2cに示すように、パイプには3つの水入口と3つの水出口があります。
方式4では、冷却水路の直径は4mmで、冷却水路の全体的な形状は図2dに示すように長方形です。

（２）炉心の冷却
方式Aでは、冷却水路の直径は6mmで、冷却水路の全体的な形状は図2eに示すように環状です。
方式Bでは、冷却水路の直径は6mmで、冷却水路の全体的な形状は図2fに示すように長方形です。

ランダム冷却の初期設計では、Moldflowと呼ばれるソフトウェアが使用されます。Moldflowは、強力な機能を備えた専門的な射出成形CAEソフトウェアであり、現在、射出成形の分野で金型流動解析に広く使用されています。 Moldflow2014 バージョンは、コンフォーマル冷却チャネルの設計に使用でき、強力な設計および最適化機能を備えています。将来、3Dプリント技術の継続的な発展と応用により、コンフォーマル冷却技術は射出成形金型冷却システムの研究において徐々にホットな話題になるでしょう。 3D プリント技術を使用してコンフォーマル冷却金型を製造すると、処理技術が簡素化されるだけでなく、コンフォーマル冷却水チャネルの設計が容易になり、設計効率が向上し、冷却水チャネルのコンフォーマル性がより理想的になります。

南極熊は、3Dプリント技術の普及により金型冷却システムの概念が書き換えられ、金型業界はランダム冷却の時代に入ると考えています。

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