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TW202202317A - 用於製造部件之工具總成及生產工具總成之方法 - Google Patents

用於製造部件之工具總成及生產工具總成之方法 Download PDF

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TW202202317A
TW202202317A TW110115816A TW110115816A TW202202317A TW 202202317 A TW202202317 A TW 202202317A TW 110115816 A TW110115816 A TW 110115816A TW 110115816 A TW110115816 A TW 110115816A TW 202202317 A TW202202317 A TW 202202317A
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TW
Taiwan
Prior art keywords
tool assembly
sealant
psi
tool
cooling channels
Prior art date
Application number
TW110115816A
Other languages
English (en)
Inventor
尼魯波 納蓋班迪
路克 強森
凱文 霍得爾
愛麗莎 瑪莉娜 泰保
湯瑪士 柯林 穆賀蘭
Original Assignee
美商埃森提姆公司
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Publication date
Application filed by 美商埃森提姆公司 filed Critical 美商埃森提姆公司
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Abstract

本發明揭示一種工具總成及一種用於製造且密封一工具總成以製造一物件之方法，其包含使用增材製造或3D列印程序構建一工具總成。

Description

用於製造部件之工具總成及生產工具總成之方法
本發明係關於用於製造部件之工具，且更具體而言係關於使用各種程序生產且密封用於製造部件之工具總成之方法。
本章節中之聲明僅提供與本發明相關之背景資訊且可或可不構成現有技術。
設備部件製造商在不斷尋找新方法來改良產品循環時間且縮短產品設計程序。當為具有數千個部件之複雜總成提供最佳品質之產品時，需要原型或預生產構建之多次反覆。
在生產諸如金屬衝壓件或射出成型塑膠部件之生產位準部件時，生產位準工具及模具係昂貴的且具有非常長的構建時間。因此，在生產原型或預生產位準部件時，生產位準工具及模具並非一可行選項。因此，預生產工具有益於生產具有幾乎相同功能性之有限數目個部件。然而，預生產工具仍具有長前置時間，此進一步防止預生產程序之加速。
雖然當前預生產工具及模具具有多種用途及效能，但其等未能進一步改良部件生產效率、成本及產品效用。因此，雖然當前工具、模具及程序對其等預期目的有用，但提供經改良之投資成本、構建時間、設計靈活性及品質之一經改良工具、模具及製造程序在此項技術中仍留有空間。
本發明描述使用憑藉高效能塑膠細絲之增材製造生產且密封諸如模具之工具總成。本發明之工具總成使用CAD (電腦輔助設計)產生且視需要根據工件之模型及列印方向而戰略性地設計冷卻通道。模具係使用基於擠壓之增材列印自一或多個熱塑性材料三維(3D)列印。3D列印工具總成視需要可包含後處理(諸如電腦數控(CNC)加工)以根據應用達成幾何尺寸及公差(GD&T)標準。若工具總成中包含冷卻通道，則在高壓下之黏性液體密封劑經注入至冷卻通道中且經固化以確保冷卻通道在高於大氣壓之高壓下係氣密及液密性的。本發明之系統及方法可用於密封可用於各種製造應用中之工具總成，包含但不限於：衝壓、發泡、射出成型、壓縮成型、樹脂傳遞成型(及真空輔助)、熱成形、真空成形、熔模鑄造、旋轉鑄造及吹塑成型。
本系統及方法具有高周轉率，在一至兩(1-2)周內以低於傳統金屬工具之成本生產。該系統及方法亦藉由支援大多數工具/模製方法(包含衝壓、發泡、射出成型、壓縮成型、樹脂傳遞成型/尤其針對熱固性樹脂及填充預製件之真空輔助樹脂傳遞成型、熱成形/真空成形、熔模鑄造(如預製犧牲層)、旋轉鑄造及吹塑成型)而與各種製造業相關。
本發明之系統及方法允許高設計靈活性且藉由組合增材及減材製造(在需要時)，工具及模具將比使用習知金屬模具製程更快且更便宜地生產。此導致即使在用於低部件數量、設計迭代、針對產品演化及創新之新模型之原型設計及產生時之平價模具。
本發明之系統及方法係基於製造設計(DFM)方法。此確保與增材製造之總相容性，以及易於與將形成模具之部分以將其併入至射出成型機或其他模具成形機中之硬體組裝。
本發明之系統及方法可經調整以匹配任何商業成型機硬體。
本發明之系統及方法密封工具總成使之與加壓冷卻系統相容且其適合用於工業機器中。
本發明之系統及方法使用採用增材製造之高溫熱塑性材料。此係有益的，因為在形成工具總成及模具時，熱塑性材料比金屬更便宜且更容易使用。增材製造之材料及使用亦允許容易複製。
本發明之系統及方法使用電腦輔助設計(CAD)軟體起始以產生一模型。取決於工具目的，模型可經設計而具有或不具有冷卻通道。一旦模型完成，便將其匯入至用以根據材料產生具有特定列印設定之基於擠壓之增材列印路徑之切片軟體，包含：列印溫度、列印速度、列印擠壓、層高度及寬度。此被稱為G程式碼，其接著經傳送至能夠列印部件之體積之3D列印機。取決於所使用之材料，3D列印機必須具有一加熱床及一加熱構建體積。
在完成後，將該列印部件從3D列印機移除。接著可使用後處理步驟以完成本發明之工具總成。犧牲(支撐/底座/邊/裙部/筏)材料可首先藉由電腦數控(CNC)機器移除。若將冷卻通道設計至工具總成中，則冷卻通道之入口及出口埠經清洗且可經挖掘以允許冷卻劑連接器與軟管之攻螺紋。
聚合物擠製3D列印生產具有許多材料層(其等通常不防潮，因為個別層可吸收水分，在連續層之間形成空隙且因此洩漏冷卻劑)之部件、工具總成或模具。冷卻劑洩漏隨後可導致因冷卻劑損耗或工具總成過熱之工具總成故障或在冷卻劑洩漏至工具總成中之情況下使工具總成功能失調。因此，本發明之系統及方法進一步將密封劑注入至3D列印部件中，以產生可耐受加壓冷卻劑而不洩漏之工具總成。
將密封劑注入至工具總成中之程序需要對工具總成進行預熱，接著以一經控制速率引入可流動材料以最小化氣泡之形成，其中可流動材料最初填充冷卻通道。一旦填滿冷卻通道，具有密封劑流體之冷卻通道便在工具總成內部加壓至在約60 psi至約100 psi之範圍內且至多約150 psi之一壓力，並在壓力下保持達最少60秒。在此等注入及加壓步驟之後，藉由將工具總成定位在一旋轉台上且使工具總成旋轉以自工具總成冷卻通道離心地移除殘餘密封劑而自冷卻通道移除殘餘密封劑流體，以確保冷卻通道或冷卻劑埠不被殘餘流體堵塞。接著使用一固化程序將冷卻通道中所剩餘之可流動密封劑材料硬化或固化。應注意，若不需要工具總成設計之任一或所有冷卻通道，則可將一小直徑孔挖掘至工具總成之一側或邊緣中且使用可流動密封劑材料填充以增加支撐及功能性。
用於密封工具總成之一額外選項係電鍍及拋光。此可使用一電鍍可相容熱塑性材料或藉由使用將允許一外部工具總成表面之電鍍之一多步驟程序而完成。電鍍係在工具總成表面上。接著可應用一額外擦光步驟以幫助達成一A級飾面。若使用電鍍，便可提供汽車或其他行業所需之A級表面及機械性能增強兩者。
一旦完成密封程序，工具總成便可準備好投入使用，可用於注入/密封程序之材料包含但不限於高流量、高溫穩定性之雙組分型環氧樹脂、陶瓷(可流動)及電鍍材料。
自本文提供之描述將明白適用性之其他領域。應了解描述及特定實例僅旨在用於圖解之目的，而不旨在限制本發明之範疇。
以下描述本質上僅為例示性且不旨在限制本發明、應用或使用。
現參考圖1及圖2，繪示且現將描述於吹塑成型程序中使用之一模具或一工具總成10。工具總成10或一類似模具或工具總成在不偏離本發明之範疇之情況下可替代地用於另一類型之製造程序。工具總成10包含一第一或上半體12、一第二或下半體14及一溫度控制系統16。更具體而言，該工具總成之上半體12及下半體14包含至少一部分-腔18及與溫度控制系統16通信之複數個冷卻通道20。冷卻通道20經配置可能在工具總成10中提供最一致之操作溫度。例如，由於冷卻通道20係由一3D列印機列印，故可構建之冷卻通道20之形狀、大小及橫截面之多樣性遠大於傳統加工之工具總成中之冷卻通道。可通過更改特定冷卻通道20之橫截面來改變通過冷卻通道之冷卻劑之流量。甚至可列印冷卻通道20以產生在先前工具總成構建方法中不可能之熱傳遞效應。
現參考圖3，繪示且現將描述來自圖2中所示之工具總成之冷卻通道20之表面22之橫截面。因為該工具總成係使用3D列印或增材程序構建，該工具總成主要係由熔合在一起之層24產生，在可能未完全熔合在一起之層24之間產生一些空隙或空位26。表面22進一步包含一加壓及固化密封劑28，該密封劑28延伸在層24之間且塗覆表面22，因此提供可耐受高壓及高溫而不彎曲之一通路。在本實例中，密封劑係一雙組分型高溫固化環氧樹脂。然而，其他類型之密封劑可併入至工具總成10中而不偏離本發明之範疇。
現參考圖4，繪示且現將描述來自圖1中所示之工具總成之一部分腔18之表面30之橫截面。因為該工具總成係使用3D列印或增材程序構建，該工具總成主要係由熔合在一起之層24產生，在可能未完全熔合在一起之層24之間產生一些空隙或空位26。此外，取決於層24之厚度，一些應用可能需要額外加工來達成所需形狀及公差。例如，表面30經展示為已經CNC加工以達成指定形狀之工具腔18。表面30進一步包含在層24之間延伸之一加壓及固化密封劑28。此外，在一些應用中，一旦表面30經密封，便可包含一經沈積金屬層32以提供經改良耐磨性、衝擊強度及表面光潔度。
參考圖5，根據若干態樣，本發明之工具總成34包含具有類似於冷卻通道20之一例示性冷卻通道38之一模具或工具總成本體36。該冷卻通道38包含在流入口埠56與出口埠58之間之至少一個且根據若干態樣之多個流動彎頭40、42、44、46、48、50、52、54。
參考圖6，在將密封劑注入至如下文參考圖7描述之冷卻通道34中之後，將工具總成34放置成接近於旋轉台60之中心。連接至旋轉台60之一馬達62經通電以使旋轉台60例如沿一順時針旋轉方向64旋轉。旋轉台60之旋轉在工具總成36上產生離心力，其用以將過量密封劑推出冷卻通道38。應注意，旋轉台60提供離心力之一例示性源且可由在工具總成上產生離心力之任何裝置或系統取代。
參考圖7，描繪用於產生本發明之工具總成(諸如參考圖1描述之工具總成10或參考圖5描述之工具總成34)以在使用各種製造程序製造部件中使用之一方法100。方法100之部分可由一或多個運算裝置(舉例而言，諸如結合圖9描述之一運算裝置)之一處理器執行。本文中描述之方法100係用於產生於一塑膠射出成型程序中使用之一工具總成。然而，用於許多其他製造程序中使用之許多其他類型之工具總成可使用本文中描述之方法100構建。例如，可構建工具總成或模具總成以在不偏離本發明之範疇之情況下進行金屬衝壓、發泡、射出拉伸吹塑成型、壓縮成型、金屬鑄造砂芯製作、樹脂轉注成型、熱成形、熔模鑄造、旋轉鑄造及吹塑成型。
方法100包含製作諸如工具總成34之一工具總成之表面之一CAD模型之一第一步驟102。該CAD模型可藉由使用一表面掃描工具(其使用一雷射量測裝置以將一實體主部件模型轉換成數位表面資料)產生。CAD模型亦可從一所要部件之一CAD模型部分地產生。一旦產生工具總成之該或該等表面之CAD模型，一第二步驟104將特徵添加至表面資料，包含但不限於工具設計特徵，諸如分型表面、冷卻通道、彈射銷孔、通氣孔及噴射通路，藉此產生工具總成之一CAD模型。
接著，一第三步驟106使用一轉換或切片軟體且產生工具總成之CAD模型之一列印路徑且將列印路徑傳送至3D列印機。在第四步驟108中，使用3D列印機列印工具總成之一實體模型。在一些應用中，3D列印程序包含使用高溫、高效能熱塑性細絲，其產生能夠維持高應力及高溫製造程序之高強度列印部件。亦可在不偏離本發明之範疇之情況下使用旨在用以增加工具總成之實體模型之強度及耐久性之其他3D列印材料及程序。
在生成G碼之後，在一第五步驟110中，使用一程式化指令檔(諸如但不限於一python指令檔)最佳化G碼，以最佳化多個項目，例如開發一最小值或最少量之行進移動。在一第六步驟112中，識別及最佳化工具總成之單一縫線。在一第七步驟114中，基於列印部件之填充與列印部件之輪廓，最佳化工具總成之複數個不同溫度。執行上述最佳化以獲得使用該工具總成製成之3D列印部件之一最佳光潔度且獲得3D列印部件之一最高強度。
在一第八步驟116中，使工具總成在約70℃的烤箱中加熱達約4小時，其允許工具總成擺脫熱誘導之機械應力並防止進一步空隙、間隙及細孔之形成。接著將工具總成自烤箱取出。
在一第九步驟118中，當工具總成仍處於或接近烤箱溫度時，在工具總成34之高溫之情況下將一密封劑澆注至諸如冷卻通道20、38之任何冷卻通道中，從而允許密封劑在其接觸工具冷卻通道38內部之表面時儘快開始固化。快速固化亦允許密封劑接近於工具冷卻通道表面(諸如參考圖3及圖4描述之表面)以立即增加黏度以改良該密封劑之塗層。根據若干態樣，一較佳密封劑係一高流量、高溫雙組分型環氧樹脂及一可流動陶瓷，然而在不偏離本發明之範疇之情況下，可使用其他可流動可固化密封劑。
在一第十步驟120中，使密封劑加壓以迫使密封劑進入界定冷卻通道壁之空隙之間隙或裂隙中。特定言之，使用針對30秒或更大且較佳至少60秒之一加壓週期加壓至在約60 psi至約100 psi之範圍內之一壓力之密封劑填充冷卻通道38。根據若干態樣，施加至冷卻通道38之壓力可為持續約60秒之約150 psi以迫使密封劑流動至冷卻通道38內之間隙中以更完全填充間隙及冷卻通道38。
在加壓週期完成且密封劑上之壓力釋放之後，在第十一步驟122中，將一離心力施加至工具總成以自工具總成移除過量密封劑。根據若干態樣，工具被放置成接近於參考圖6所描述之旋轉台60之一中心且馬達62經通電以使旋轉台60旋轉。馬達62在經通電時在工具總成34上產生離心力，其用以將過量密封劑推出冷卻通道38。根據若干態樣，旋轉台60可以約75 rpm至約125 rpm之間之一旋轉速度旋轉達最少3分鐘，但可選擇其他旋轉速度及旋轉持續時間。旋轉台60之旋轉迫使未塗覆冷卻通道38之密封劑之部分離開冷卻通道38且因此離開工具總成34。應注意，工具總成34可定位在旋轉台60之一或多個不同位置或定向中。此允許離心力施加在工具總成上多個旋轉平面或定向中以使過量密封劑移位。如本文中所述，旋轉台60提供離心力之一例示性源且可由任何裝置取代，諸如但不限於在工具總成上多個旋轉平面及定向中產生離心力之一軸件或工具轉臂。
在自烤箱移除之後旋轉步驟期間維持在工具總成34中之殘餘熱量歸因於密封劑在經升高工具總成溫度下之經增加黏度而有助於保持在間隙中及冷卻通道38之冷卻通道表面上捕獲之密封劑。藉此允許經增加黏度之密封劑更佳地黏結至工具總成34。
參考圖8且再次參考圖1到圖4，沿著冷卻通道20之一內壁126產生剩餘密封劑之一例示性層124，包含已在自冷卻通道20移除殘餘密封劑時注入至參考圖3及圖4之冷卻通道壁之空隙中之密封劑。根據若干態樣，剩餘密封劑之層124可具有約3.0 mm之一厚度128，且厚度之範圍可為約1.0 mm至約10.0 mm。根據進一步態樣，若期望將厚度128增進至一所要值，則可施加密封劑之一第二層。厚度128可基於工具總成之一初始溫度及旋轉 rpm或使用離心力源施加之離心力而改變。剩餘密封劑可如下般固化到位。將工具總成自旋轉台60或離心力源移除且使其在例如一整夜或約8個或更多個小時之週期內完全冷卻至大氣溫度。此冷卻週期容許剩餘密封劑完全固化。
圖9繪示一實例性運算裝置200。運算裝置200可包含一處理器202、一記憶體204及一通信模組206。
處理器202為運算裝置200提供處理功能性且可包含任何數目個處理器、微控制器或其他處理系統及用於儲存由運算裝置200存取或產生之資料及其他資訊之常駐或外部記憶體。處理器202可執行實施本文中所描述之技術之一或多個軟體程式。處理器202不受限於其形成材料或其中採用之處理機制且因而，可經由(若干)半導體及/或電晶體(例如，電子積體電路(IC))等實施。
記憶體204係有形電腦可讀媒體之一實例，其提供儲存功能性以儲存與運算裝置200之操作(諸如上文提及之軟體程式及代碼段)相關聯之各種資料或其他資料以指示運算裝置200之處理器202及其他元件執行本文中描述之步驟。儘管展示一單一記憶體204，但可採用記憶體之廣泛多種類型及組合。記憶體204可與處理器202、獨立記憶體或其兩者之一組合整合。記憶體可包含例如可抽換及不可抽換之記憶體元件，諸如RAM、ROM、快閃記憶體(例如，SD卡、迷你SD卡、微型SD卡)、磁性、光學USB記憶體裝置等等。
通信模組206提供功能性以使運算裝置200與一或多個通信網路通信。在各種實施方案中，通信模組206可代表各種通信組件及功能性，包含但不限於：一或多個天線；一瀏覽器；一發射器及/或接收器(例如，射頻電路)；一無線電；資料埠；軟體介面及驅動程式；網路介面；資料處理組件等等。
運算裝置200可通信地連接至一表面掃描工具208及一3D列印機210。在一些實例性實施方案中，運算裝置200可經由一或多個通信網路自另一運算裝置接收表示一CAD模型之資料。
本發明之描述本質上僅為例示性且不偏離本發明之主旨之變動旨在處於本發明之範疇內。此等變動不應被視為偏離本發明之精神及範疇。
3:區段 4:區段 10:工具總成 12:上半體 14:下半體 16:溫度控制系統 18:部分腔 20:冷卻通道 22:表面 24:層 26:空隙 28:密封劑 30:表面 32:經沈積金屬層 34:工具總成 36:工具總成/工具總成本體 38:冷卻通道 40:流動彎頭 42:流動彎頭 44:流動彎頭 46:流動彎頭 48:流動彎頭 50:流動彎頭 52:流動彎頭 54:流動彎頭 56:流入口埠 58:出口埠 60:旋轉台 62:馬達 64:順時針旋轉方向 100:方法 102:第一步驟 104:第二步驟 106:第三步驟 108:第四步驟 110:第五步驟 112:第六步驟 114:第七步驟 116:第八步驟 118:第九步驟 120:第十步驟 122:第十一步驟 124:層 126:內壁 128:厚度 200:運算裝置 202:處理器 204:記憶體 206:通信模組 208:表面掃描工具 210:3D列印機
本文中所描述之圖式僅用於圖解之目的且絕不旨在限制本發明之範疇。
圖1係根據本發明之原則使用塑膠注射成型程序製造物件之工具總成半體之側視圖；
圖2係用於製造圖1之物件之工具總成之一端視圖；
圖3係自圖2之區段3之工具總成之一部分橫截面視圖；
圖4係自圖1之區段4之工具總成之一橫截面視圖；
圖5係具有擁有多個流動彎頭之例示性冷卻通道之一工具總成之類似於圖2之一端視圖；
圖6係位於旋轉台上之圖5之工具總成之一側視透視圖；
圖7係描繪根據本發明之原理製造一工具總成之方法之一流程圖；
圖8係沈積一層密封劑之後之一例示性冷卻通道之一橫截面端視圖；及
圖9係繪示根據本發明之原理之一實例性運算裝置之一方塊圖。
4:區段
10:工具總成
12:上半體
16:溫度控制系統
18:部分腔
20:冷卻通道

Claims (20)

  1. 一種方法，其包括： 接收一工具總成10，其包含界定至少一部分腔18之複數個層24及複數個冷卻通道20； 將密封劑28澆注至該複數個冷卻通道20中； 針對一加壓週期使該密封劑28加壓至一壓力；及 將一離心力施加至該工具總成10以自該工具總成10移除過量密封劑，其中該密封劑28在該複數個層24之間延伸。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括： 在一烤箱中以約攝氏70度加熱該工具總成10達約4個小時。
  3. 如請求項2之方法，其進一步包括： 在該工具總成10處於或接近攝氏70度時將該密封劑28澆注至該工具總成10中。
  4. 如請求項3之方法，其中使該密封劑28加壓至在約60磅/平方英寸至約100磅/平方英寸之範圍內之一壓力。
  5. 如請求項4之方法，其中該加壓週期包括至少30秒。
  6. 如請求項4之方法，其中該加壓週期包括至少60秒。
  7. 如請求項3之方法，其中針對至少60秒之一加壓週期使該密封劑28加壓至至少150磅/平方英寸。
  8. 如請求項7之方法，其中該工具總成10以在約75轉/分鐘至約125轉/分鐘之間之一旋轉速度旋轉達至少3分鐘。
  9. 如請求項1之方法，其中該密封劑28包括一雙組分型環氧樹脂及可流動陶瓷材料。
  10. 一種方法，其包括： 接收一工具總成10，其包含界定至少一部分腔18之複數個層24及複數個冷卻通道20； 將密封劑28澆注至該複數個冷卻通道20中； 針對一加壓週期使該密封劑28加壓至一壓力；及 以在約75轉/分鐘至約125轉/分鐘之間之一旋轉速度持續至少3分鐘而將一離心力施加至該工具總成10以自該工具總成10移除過量密封劑，其中該密封劑28在該複數個層24之間延伸。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包括： 在一烤箱中以約攝氏70度加熱該工具總成10達約4個小時。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包括： 在該工具總成10處於或接近攝氏70度時將該密封劑28澆注至該工具總成10中。
  13. 如請求項12之方法，其中使該密封劑28加壓至在約60磅/平方英寸至約100磅/平方英寸之範圍內之一壓力。
  14. 如請求項13之方法，其中該加壓週期包括至少30秒。
  15. 如請求項13之方法，其中該加壓週期包括至少60秒。
  16. 如請求項12之方法，其中針對至少60秒之一加壓週期使該密封劑28加壓至至少150磅/平方英寸。
  17. 如請求項10之方法，其中該密封劑28包括一雙組分型環氧樹脂及可流動陶瓷材料。
  18. 一種工具總成10，其包括： 界定至少一部分腔18及複數個冷卻通道20之一上半體12；及 界定至少一部分腔18及複數個冷卻通道20之一下半體14， 其中該複數個冷卻通道18之各冷卻通道18界定一表面22，其包含延伸在一或多個層24之間且塗覆該表面22之一加壓及固化密封劑28。
  19. 如請求項18之工具總成10，其中該密封劑28包括一雙組分型高溫固化環氧樹脂。
  20. 如請求項18之工具總成10，其中該複數個冷卻通道20經組態以連接至一溫度控制系統16。
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