仿生模具3D打印增材制造的研究及应用

2021-08-06周艳文高超邹功成谢亮

新型工业化 2021年4期

周艳文，高超，邹功成，谢亮

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

随着3D打印技术在注塑模具中的应用，3D打印的随形冷却水路得到广泛应用。随形水路紧贴产品造型使得注塑件产品均匀和快速冷却，从而提高了生产效率和注塑件产品质量[1]。3D打印要求比较高，目前只有少数公司有相应的设备和技术，3D打印的模具零件相对传统模具零件冷却效果好，但是3D打印零件成本较高[2]。仿生结构与同类型的其它结构相比，其强度重量比和刚性重量比在已知材料中是很高的。同时拥有重量轻、不易变形、不易开裂和断裂等优点。仿生结构和3D打印技术相融合是注塑模具的未来发展趋势之一[3-6]。

1 3D打印注塑模具零件工艺流程介绍

在注塑模具中3D打印的工艺流程通常分为以下步骤：①CAD软件建模完成3D打印零件建模模型；②模型转化，由CAD软件转化为3D打印软件，通常转化的中介格式为STL；③3D打印软件对模型进行编程，计算出最优加工程序和加工路；④模型打印，3D打印加工完成后得到一个毛坯的工件；⑤热处理工序，对零件内部组织结构进一步优化；⑥精加工部分，按照最终的模具模型加工到数，其主要步骤为：CNC精加工→电火花加工→QC检测→抛光。最终完成3D打印的模具零件加工制作。

2 3D打印冷却水路在注塑模具中的优势

注塑生产中的冷却时间占注塑周期的大部分，冷却时间直接影响生产效率，降低冷却时间提升注塑生产效率是注塑模提效的重要课题。运用3D打印技术制造出随形水路是降低冷却时间的重要方法之一。

运用3D打印技术加工制造的冷却水路紧贴产品造型，冷却水路与模具零件胶位距离可控，冷却水路可以快速高效降低模具温度，缩短注塑成形过程中的冷却时间，进而缩短成形周期，同时提升注塑件产品的质量。

2.1 基于Moldflow的仿生模具注塑件的模流分析

以某产品的外壳产品为例，外壳的外形都为椭圆形，如图1所示，外壳材料为ABS，外壳的//外形尺寸为65.8MM×46MM×106.35MM,平均壁厚为2.5MM，外壳产品外形小，高度尺寸相对宽度的比较高度落差大，外壳的内部卡扣较多，模具复杂。

图1 外壳实物图

传统的冷却无法及时疏散模具热量，导致产品零件温度过高。此时若采用3D打印技术制造出随形水路，可通过随形水路充分冷却模具，快速降低产品零件温度。

外壳模具为一模两穴，其进胶方式和模具排位如图2所示：细水口进胶，胶口直接点在外壳产品上。

图2 进胶方式和模具排位

我们基于Moldflow软件对外壳进行模流分析比较。分析后的具体参数如表1。

表1 传统模具和仿生模具参数对比

利用UG软件里面对产品模型进行排位，然后将模型导入到Moldflow软件进行模拟分析。首先对产品进行网格划分及网格设置，网格类型为双层面，曲面上的全局边长为3mm，全部的网格数为：51408个。具体如图3所示。

图3 网格参数

通过Moldflow软件可以得出，传统的冷却水路即在中间设置水塘，其冷却后零件温度最高达到88.98℃，最低温度为54.42℃.仿生模具采用3D打印的随形水路，其水路是紧贴外壳表面，深入外壳顶部，其冷却后零件温度最高达到62.72℃，最低温度为41.17℃。传统水路和仿生水路冷却后零件温度温差达到26度。故仿生模具的所需要的冷却时间更短，成型效率更高。温差对比图如下图4所示。

图4 零件温度差对比

同样通过Moldflow软件可以得出，外壳产品达到顶出温度的时间如图6所示。传统模具时，外壳产品达到顶出温度的时间最高为31.4秒，最低时间为12.09秒。仿生模具时，外壳产品达到顶出温度的时间最高为26.06秒，最低时间为10.76秒，其两者前后时间差为7.69秒。故仿生模具的所需要顶出温度的时间较短，其成型周期更短，生产效率更高。

图5 顶出温度时间差对比

通过图6可以得出，此圆形零件，轴向高低比例较大，产品从上部份开始进胶，上部份优先填充，上部份呈环形封闭状态。底部份呈现为椭圆形开放状态，进胶的尾部即料流末端，底部也是顶出受力部分，传统模具方式：上部缩收变形和低部缩收变形量相差0.28MM,仿生模具方式：上部缩收变形和低部缩收变形量相差0.23MM。传统模具和仿生模具缩收变形量相差0.09MM。综上所述：仿生模具的缩收变形量相对较小，外壳尺寸改善明显，产品质量有较大的提高。

图6 缩收变形量对比图

3 3D打印注塑模具的痛点

由于3D打印软件将模型分割为多层截面模型，通过将每一层截面激光烧结，根据此原理逐步叠加成为模具零件，故3D打印模具零件较传统模具加工效率低。同时由于目前的3D设计软件全部采用的是实密性造型，每层截面全部轮廓皆为实密，扫描烧结截面面积大，扫描时间长，输出加工程序多，加工时所耗费的金属粉末多，进一步造成3D打印模具零件成本高的痛点。

4 仿生学在注塑模具零件中的应用

在大自然中经过上亿万年的时间洗礼，万千自然生物进行了自我的演变，练就一身独特生存之法，其独特的图形，形态，功能，结构，原理等特点。科学家们根据自然生物的特点进行研究，吸收运用到人类的社会发展中的实际问题上，并且成功解决问题，为人类的发展做出应有的贡献。

仿生学是科学家们根据自然生物的图形，形态，功能，结构，原理等特点学习研究，并且使各种特点服务人类，人类模拟自然生物的一门学科。

在仿生学中有形态仿生，功能仿生，结构仿生等，本文结合注塑模具零件的特点，将仿生植入到模具中。

4.1 形态仿生模具零件

莲藕作为日常生活中常见的蔬菜，莲藕主要是由根，茎，叶，花，果实等特征组成。莲藕的根分为两种，分别是主根和不定根，不定根是我们日常食用的部分。把不定根切开后看见许多小孔均匀的分布。不定根全部生长在地底下，发达的不定根主要是吸收水分，养料和固定和支持植株等作用。其承受着泥土和水的压力。如图7所示。

图7 莲藕实物图

下面我们以胶盖组件的产品为列，该组件由3个注塑件组成，其外形都为圆形。其中内侧件和外侧件是嵌入到本体件的模具中一起注塑。本文以本体件产品模具介绍仿生模具零件，本体件外形为圆形其尺寸为直径56.2MM×25.2MM,注塑材料为TPE，属于一种软性塑胶材质，动定模圆形镶件全部采用3D打印，动模镶件尺寸为直径48mm×48.7mm。3D打印的金属粉末为进口MS1，材料性能类似于S136,热处理后的硬度为48-56HRC,模具结构采用1模2腔。

传统模具零件全部为实体模型，实体模具零件不存在孔隙率问题，100%高度致密性。传统模具零件采用减料的加工方式，受到莲藕的启发，在模具零件中增加多孔结构，模具零件的切开截面后可以看见许多小孔均匀的分布在模具零件中。模具设计出仿生莲藕模具零件，如图8所示。

图8 形态仿生对比图

仿生模具零件与3D打印加工方式相同，采用增材制造方式，仿生莲藕模具零件的孔隙率虽有明显提高，但完全可以承受160MPa.以上的注塑压力。仿生莲藕模具零件的截面形态和莲藕的截面形态与功能极为相似，同样拥有固定和支持的功能。

如图9所示，传统模具零件的截面为实心，100%高度致密性，传统模具零件的截面面积为1747.81mm2。仿生模具零件植入仿生结构，增加中空多孔结构，仿生模具零件的截面面积为1384.96mm2。单位面积的孔隙率的计算公式：

图9 孔隙率对比图

在直径为48MM的圆形零件中。传统模具和仿生模具相对比截面的孔隙率提高到26%。仿生莲藕模具零件通过更改现有模具零件实密性，解决了3D打印的加工效率和成本问题，同时实现了模具零件轻量化设计。

4.2 结构仿生模具零件

蜜蜂的蜂窝结构非常精巧，实用而且节省材料。蜂房由无数个大小相同的房孔组成，每个房孔都是正六角形，每个房孔都被其它房孔包围，两个房孔之间只隔着一堵墙。蜂房的结构引起科学家们的兴趣，经过对蜂房的深入研究，科学家们发现，相邻的房孔共用一堵墙和一个孔底，非常节约材料。如图10所示。

图10 蜂窝实物图

结构仿生模具设计时，首先按照传统模具设计，进行模具零件结构设计；再根据模具的外形轮廓，进行下一步的仿生设计。本次案例采用分层式局部仿生的结构，即基座部分采用传统结构的设计方法。仿生层采用传统结构和仿生结构相互融合的设计方法。

首先根据蜂窝的结构进行分析，发现蜂窝的每一个蜂房都为正六边形，一个正六边形与下一个正六边形有机结合，头部为开口端，是蜜蜂主要活动场所。尾部为相同的三角菱形构成钻石形，尾部与尾部彼此相连，构成密闭的空间，使每一个蜂房之间相互独立，如图11所示。

图11 蜂窝结构示意图

在设计模具零件时，根据蜂窝的结构形状，将其单独蜂房结构拆卸，结合模具零件的实际情况，在保证模具壁厚的情况下，对蜂房的大小形状进行调整。蜂房的高度是根据模具胶位决定的，一般蜂房的高度距离模具胶位5到8毫米之间。所有蜂房全部竖立在模具中，其开口的头部在模具零件的下方，开口朝下有利于3D打印的金属粉末排出。其尾部靠近模具胶位部分，尾部朝上是充分利用蜂房尾部的三角菱形构成钻石形，其钻石结构有着优越结构特性，在3D打印时，其钻石型结构与利于3D打印的金属粉结合，防止在3D打印时出现坍塌、金属块状掉落以及内应力集中严重时模具零件出现裂纹，导致模具零件报废。零件将大小不一的蜂房有序均匀地排布在模具零件中，在模具中所有的蜂房都是单向独立的存在，蜂房与蜂房之间没有尾尾衔接。因模具零件中植入了蜂窝结构，故模具零件内部也存在着大量的镂空结构。从而使得模具零件轻量化[7]。

蜂窝结构模具示意图如图13所示，首先，模具设计时，模具模型中根据蜂房的结构特点，在模型中设计蜂房结构，其蜂房外形尺寸结合模具零件中冷却水路、顶出孔、高度尺寸需要对模具胶位进行设计。蜂房之间的留有3到8毫米壁厚，蜂房的大小相互交叉，用以保证模具零件的强度和最大化仿生蜂窝结构植入，最终在3D打印制造时减少加工工时，降低金属粉末的耗材。模具零件上运用3D打印的随形水路，加强了冷却效果，降低了生产周期。产品上充分的冷却提高了产品质量。

图12 蜂窝结构模具示意图

4.3 基于ANSYS Workbench有限元分析仿生模具零件的力学分析

首先我们利用NX（UG）大型3D建模软件对模具零件进行建模设计，在NX软件中完成仿生模具零件模型设计。

模具零件材料属性定义为S136材料，S136具有优良的耐腐蚀性，耐磨性，热处理后具有优良的稳定性。S136材料的密度为7850kg/m3。S136材料的弹性模量（2.0E+11）Pa，S136材料的泊松比：0.3，杨性模量：2E+11Pa，体积模量：1.6667E+11Pa，剪切模量：76923E+10Pa，模具零件所受到的注塑压力为60MPa。其注塑压力为实际生产时的压力。根据模具零件在实际生产时所受到约束力一样的工况，在ANSYS软件中设置工况为浇口镶件底部施加固定约束，模具零件胶位面施加60MPa压力[8]。

我们基于ANSYS Workbench有限元分析，将模具零件导入到有限元软件中进行进行下一步ANSYS有限元分析处理。我们在有限元软件中对模型进行设置定义如下图13。