コンフォーマル冷却モールド - 3Dプリントの価値提供

私たちの周りを見渡してみてください。シャンプーボトル、エアコンのケース、プラスチックの筆箱、ミネラルウォーターのボトル、レゴのおもちゃ、歯ブラシ…これらの製品がどのように作られているか考えたことがありますか?こうした製造工程の舞台裏ではどのような変化が起きるのでしょうか？

現在、これらの製品の製造工程は基本的に射出成形です。このプロセスにより、安定した許容範囲内で複雑な形状や詳細を実現できるだけでなく、高い表面品質を維持しながら大量生産が可能になります。

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金型の設計と製造プロセスにおける重要な考慮事項となり、このプロセスにおいて冷却は重要な役割を果たします。コンフォーマル冷却金型製造における粉末床選択的レーザー溶融技術の商業的価値を十分に探求するために、Antarctic Bear 編集者は、この分野における Renishaw の事例探求を簡単に紹介します。

コンフォーマル冷却 - 従来の方法の制約からの脱却

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、冷却プロセス中は金型から取り外すことはできません。完全に冷却された後、射出成形部品が金型から分離されます。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、取り外し後に射出成形部品に反りやヒケが生じ、部品表面の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して射出成形部品から熱を除去することによって実現されます。この冷却効果の速度と均一性は、流体チャネルと、冷却流体がそこを通過する速度によって決まります。

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って直管の内部ネットワークが作成され、流量と方向を調整するための流体プラグが組み込まれています。

このアプローチでは、以下に示すようにコンフォーマル冷却金型を設計するときに制限があります。チャネルネットワークの形状が制限されているため、冷却チャネルが金型の表面から遠く、冷却効率が低くなります。それだけでなく、追加の処理および組み立て時間のリスクや、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。さらに、複雑なケースでは、コンフォーマル冷却チャネルの処理を予約するために、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。

3D プリントにより、クロスドリリングの制限から解放されます。現在では、金型の冷却面により近い内部チャネルを設計でき、より滑らかなコーナー、より速い流れ、そして冷却剤への熱伝達効率の向上が実現しています。以下の例では、冷却要件に応じて異なる冷却ループを設計し、一定の速度で熱を放散して熱放散の均一性を促進することもできます。

冷却剤の流量を最大化し、バランスをとることは、金型の冷却速度にとって重要です。チャネルに沿った圧力損失を減らすには、滑らかなコーナーを設計する必要があります。粉末床選択的金属溶融 3D 印刷技術では、直径 1.4 mm ほどの小さな冷却チャネルを製造できます。

粉末ベースの 3D 印刷製造技術の利点の 1 つは、粉末が溶けてわずかにテクスチャのある表面が作られることです。このテクスチャ構造により、冷却接触の表面積が増加し、より優れた熱伝達効果がもたらされ、冷却効率が向上し、チャネル内に小さな乱流が形成され、チャネルの自己洗浄効果が得られます。

アプリケーション例以下の例では、多数の細い「フィンガー」で複雑な冷却チャネル金型が構築されています。各「フィンガー」内で均一かつ急速な冷却を促進するために、入口マニホールドは流れを等しい直径と長さの 5 つの平行チャネルと 4 つの平行チャネルに分割します。この設計により、冷却チャネルの合計長さは 12 メートルを超えます。

以下の例では、不規則な形状の金型も、直径と長さが等しい複数のチャネルを使用して冷却できます。この場合、均等な流れを確保するために、直径 3 mm で長さが等しい 8 つの冷却チャネルが直径 10 mm の入口と出口に接続されます。

グリッドおよびチャネル冷却技術もう一つの考慮事項は、内部構造の設計です。一般的な技術は、グリッド内での自由な流れを可能にする単一の入口および出口ダクトを備えたメッシュネットワークを設計することです。ただし、シミュレーションを実行すると、このような設計では冷却が非効率的かつ不規則になり、低流量領域で冷却が非効率的になるリスクがあることがわかります。

次の図は、メッシュネットワークチャネルを最適化するプロセスを示しています。左側の画像のペアは、メッシュ設計とシミュレーション結果（冷却剤の不均一な分布を伴う大量の低速流れ）を示しています。右側の画像のペアは、高い一貫した流量を備えた連続冷却チャネルの設計とシミュレーション結果を示しています。右側の設計により、冷却剤の流量が 50% 以上増加し、冷却効果が大幅に向上します。

3D プリントが射出成形製品にもたらす付加価値: 3D プリントで製造されたコンフォーマル冷却金型は、射出成形金型の処理効率を最大 70% 向上できます。以下の例では、アイススクレーパーの金型を積層造形法で加工し、射出成形時間を 80 秒から 40 秒に短縮しました。つまり、射出成形部品の生産速度が 2 倍になったということです。

付加製造によって作ら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、より均一な部品を製造できること、欠陥がゼロであること、冷却速度の不均一性によって生じるヒケを回避できることなどが挙げられます。さらに、新しい射出成形製品を開発する場合、より少ない反復で製品開発を完了するのに役立ちます。もちろん、複雑な金型を製造する場合、付加製造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という利点もあります。
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達成す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。

3D Science Valleyから転載

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