仿生模具3D打印增材制造的研究及應(yīng)用

周艷文，高超，鄒功成，謝亮

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

隨著3D打印技術(shù)在注塑模具中的應(yīng)用，3D打印的隨形冷卻水路得到廣泛應(yīng)用。隨形水路緊貼產(chǎn)品造型使得注塑件產(chǎn)品均勻和快速冷卻，從而提高了生產(chǎn)效率和注塑件產(chǎn)品質(zhì)量[1]。3D打印要求比較高，目前只有少數(shù)公司有相應(yīng)的設(shè)備和技術(shù)，3D打印的模具零件相對(duì)傳統(tǒng)模具零件冷卻效果好，但是3D打印零件成本較高[2]。仿生結(jié)構(gòu)與同類型的其它結(jié)構(gòu)相比，其強(qiáng)度重量比和剛性重量比在已知材料中是很高的。同時(shí)擁有重量輕、不易變形、不易開裂和斷裂等優(yōu)點(diǎn)。仿生結(jié)構(gòu)和3D打印技術(shù)相融合是注塑模具的未來發(fā)展趨勢(shì)之一[3-6]。

1 3D打印注塑模具零件工藝流程介紹

在注塑模具中3D打印的工藝流程通常分為以下步驟：①CAD軟件建模完成3D打印零件建模模型；②模型轉(zhuǎn)化，由CAD軟件轉(zhuǎn)化為3D打印軟件，通常轉(zhuǎn)化的中介格式為STL；③3D打印軟件對(duì)模型進(jìn)行編程，計(jì)算出最優(yōu)加工程序和加工路；④模型打印，3D打印加工完成后得到一個(gè)毛坯的工件；⑤熱處理工序，對(duì)零件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化；⑥精加工部分，按照最終的模具模型加工到數(shù)，其主要步驟為：CNC精加工→電火花加工→QC檢測(cè)→拋光。最終完成3D打印的模具零件加工制作。

2 3D打印冷卻水路在注塑模具中的優(yōu)勢(shì)

注塑生產(chǎn)中的冷卻時(shí)間占注塑周期的大部分，冷卻時(shí)間直接影響生產(chǎn)效率，降低冷卻時(shí)間提升注塑生產(chǎn)效率是注塑模提效的重要課題。運(yùn)用3D打印技術(shù)制造出隨形水路是降低冷卻時(shí)間的重要方法之一。

運(yùn)用3D打印技術(shù)加工制造的冷卻水路緊貼產(chǎn)品造型，冷卻水路與模具零件膠位距離可控，冷卻水路可以快速高效降低模具溫度，縮短注塑成形過程中的冷卻時(shí)間，進(jìn)而縮短成形周期，同時(shí)提升注塑件產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.1 基于Moldflow的仿生模具注塑件的模流分析

以某產(chǎn)品的外殼產(chǎn)品為例，外殼的外形都為橢圓形，如圖1所示，外殼材料為ABS，外殼的//外形尺寸為65.8MM×46MM×106.35MM,平均壁厚為2.5MM，外殼產(chǎn)品外形小，高度尺寸相對(duì)寬度的比較高度落差大，外殼的內(nèi)部卡扣較多，模具復(fù)雜。

圖1 外殼實(shí)物圖

傳統(tǒng)的冷卻無法及時(shí)疏散模具熱量，導(dǎo)致產(chǎn)品零件溫度過高。此時(shí)若采用3D打印技術(shù)制造出隨形水路，可通過隨形水路充分冷卻模具，快速降低產(chǎn)品零件溫度。

外殼模具為一模兩穴，其進(jìn)膠方式和模具排位如圖2所示：細(xì)水口進(jìn)膠，膠口直接點(diǎn)在外殼產(chǎn)品上。

圖2 進(jìn)膠方式和模具排位

我們基于Moldflow軟件對(duì)外殼進(jìn)行模流分析比較。分析后的具體參數(shù)如表1。

表1 傳統(tǒng)模具和仿生模具參數(shù)對(duì)比

利用UG軟件里面對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行排位，然后將模型導(dǎo)入到Moldflow軟件進(jìn)行模擬分析。首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格設(shè)置，網(wǎng)格類型為雙層面，曲面上的全局邊長(zhǎng)為3mm，全部的網(wǎng)格數(shù)為：51408個(gè)。具體如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格參數(shù)

通過Moldflow軟件可以得出，傳統(tǒng)的冷卻水路即在中間設(shè)置水塘，其冷卻后零件溫度最高達(dá)到88.98℃，最低溫度為54.42℃.仿生模具采用3D打印的隨形水路，其水路是緊貼外殼表面，深入外殼頂部，其冷卻后零件溫度最高達(dá)到62.72℃，最低溫度為41.17℃。傳統(tǒng)水路和仿生水路冷卻后零件溫度溫差達(dá)到26度。故仿生模具的所需要的冷卻時(shí)間更短，成型效率更高。溫差對(duì)比圖如下圖4所示。

圖4 零件溫度差對(duì)比

同樣通過Moldflow軟件可以得出，外殼產(chǎn)品達(dá)到頂出溫度的時(shí)間如圖6所示。傳統(tǒng)模具時(shí)，外殼產(chǎn)品達(dá)到頂出溫度的時(shí)間最高為31.4秒，最低時(shí)間為12.09秒。仿生模具時(shí)，外殼產(chǎn)品達(dá)到頂出溫度的時(shí)間最高為26.06秒，最低時(shí)間為10.76秒，其兩者前后時(shí)間差為7.69秒。故仿生模具的所需要頂出溫度的時(shí)間較短，其成型周期更短，生產(chǎn)效率更高。

圖5 頂出溫度時(shí)間差對(duì)比

通過圖6可以得出，此圓形零件，軸向高低比例較大，產(chǎn)品從上部份開始進(jìn)膠，上部份優(yōu)先填充，上部份呈環(huán)形封閉狀態(tài)。底部份呈現(xiàn)為橢圓形開放狀態(tài)，進(jìn)膠的尾部即料流末端，底部也是頂出受力部分，傳統(tǒng)模具方式：上部縮收變形和低部縮收變形量相差0.28MM,仿生模具方式：上部縮收變形和低部縮收變形量相差0.23MM。傳統(tǒng)模具和仿生模具縮收變形量相差0.09MM。綜上所述：仿生模具的縮收變形量相對(duì)較小，外殼尺寸改善明顯，產(chǎn)品質(zhì)量有較大的提高。

圖6 縮收變形量對(duì)比圖

3 3D打印注塑模具的痛點(diǎn)

由于3D打印軟件將模型分割為多層截面模型，通過將每一層截面激光燒結(jié)，根據(jù)此原理逐步疊加成為模具零件，故3D打印模具零件較傳統(tǒng)模具加工效率低。同時(shí)由于目前的3D設(shè)計(jì)軟件全部采用的是實(shí)密性造型，每層截面全部輪廓皆為實(shí)密，掃描燒結(jié)截面面積大，掃描時(shí)間長(zhǎng)，輸出加工程序多，加工時(shí)所耗費(fèi)的金屬粉末多，進(jìn)一步造成3D打印模具零件成本高的痛點(diǎn)。

4 仿生學(xué)在注塑模具零件中的應(yīng)用

在大自然中經(jīng)過上億萬年的時(shí)間洗禮，萬千自然生物進(jìn)行了自我的演變，練就一身獨(dú)特生存之法，其獨(dú)特的圖形，形態(tài)，功能，結(jié)構(gòu)，原理等特點(diǎn)?？茖W(xué)家們根據(jù)自然生物的特點(diǎn)進(jìn)行研究，吸收運(yùn)用到人類的社會(huì)發(fā)展中的實(shí)際問題上，并且成功解決問題，為人類的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

仿生學(xué)是科學(xué)家們根據(jù)自然生物的圖形，形態(tài)，功能，結(jié)構(gòu)，原理等特點(diǎn)學(xué)習(xí)研究，并且使各種特點(diǎn)服務(wù)人類，人類模擬自然生物的一門學(xué)科。

在仿生學(xué)中有形態(tài)仿生，功能仿生，結(jié)構(gòu)仿生等，本文結(jié)合注塑模具零件的特點(diǎn)，將仿生植入到模具中。

4.1 形態(tài)仿生模具零件

蓮藕作為日常生活中常見的蔬菜，蓮藕主要是由根，莖，葉，花，果實(shí)等特征組成。蓮藕的根分為兩種，分別是主根和不定根，不定根是我們?nèi)粘Ｊ秤玫牟糠帧０巡欢ǜ虚_后看見許多小孔均勻的分布。不定根全部生長(zhǎng)在地底下，發(fā)達(dá)的不定根主要是吸收水分，養(yǎng)料和固定和支持植株等作用。其承受著泥土和水的壓力。如圖7所示。

圖7 蓮藕實(shí)物圖

下面我們以膠蓋組件的產(chǎn)品為列，該組件由3個(gè)注塑件組成，其外形都為圓形。其中內(nèi)側(cè)件和外側(cè)件是嵌入到本體件的模具中一起注塑。本文以本體件產(chǎn)品模具介紹仿生模具零件，本體件外形為圓形其尺寸為直徑56.2MM×25.2MM,注塑材料為TPE，屬于一種軟性塑膠材質(zhì)，動(dòng)定模圓形鑲件全部采用3D打印，動(dòng)模鑲件尺寸為直徑48mm×48.7mm。3D打印的金屬粉末為進(jìn)口MS1，材料性能類似于S136,熱處理后的硬度為48-56HRC,模具結(jié)構(gòu)采用1模2腔。

傳統(tǒng)模具零件全部為實(shí)體模型，實(shí)體模具零件不存在孔隙率問題，100%高度致密性。傳統(tǒng)模具零件采用減料的加工方式，受到蓮藕的啟發(fā)，在模具零件中增加多孔結(jié)構(gòu)，模具零件的切開截面后可以看見許多小孔均勻的分布在模具零件中。模具設(shè)計(jì)出仿生蓮藕模具零件，如圖8所示。

圖8 形態(tài)仿生對(duì)比圖

仿生模具零件與3D打印加工方式相同，采用增材制造方式，仿生蓮藕模具零件的孔隙率雖有明顯提高，但完全可以承受160MPa.以上的注塑壓力。仿生蓮藕模具零件的截面形態(tài)和蓮藕的截面形態(tài)與功能極為相似，同樣擁有固定和支持的功能。

如圖9所示，傳統(tǒng)模具零件的截面為實(shí)心，100%高度致密性，傳統(tǒng)模具零件的截面面積為1747.81mm2。仿生模具零件植入仿生結(jié)構(gòu)，增加中空多孔結(jié)構(gòu)，仿生模具零件的截面面積為1384.96mm2。單位面積的孔隙率的計(jì)算公式：

圖9 孔隙率對(duì)比圖

在直徑為48MM的圓形零件中。傳統(tǒng)模具和仿生模具相對(duì)比截面的孔隙率提高到26%。仿生蓮藕模具零件通過更改現(xiàn)有模具零件實(shí)密性，解決了3D打印的加工效率和成本問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了模具零件輕量化設(shè)計(jì)。

4.2 結(jié)構(gòu)仿生模具零件

蜜蜂的蜂窩結(jié)構(gòu)非常精巧，實(shí)用而且節(jié)省材料。蜂房由無數(shù)個(gè)大小相同的房孔組成，每個(gè)房孔都是正六角形，每個(gè)房孔都被其它房孔包圍，兩個(gè)房孔之間只隔著一堵墻。蜂房的結(jié)構(gòu)引起科學(xué)家們的興趣，經(jīng)過對(duì)蜂房的深入研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，相鄰的房孔共用一堵墻和一個(gè)孔底，非常節(jié)約材料。如圖10所示。

圖10 蜂窩實(shí)物圖

結(jié)構(gòu)仿生模具設(shè)計(jì)時(shí)，首先按照傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)，進(jìn)行模具零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；再根據(jù)模具的外形輪廓，進(jìn)行下一步的仿生設(shè)計(jì)。本次案例采用分層式局部仿生的結(jié)構(gòu)，即基座部分采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。仿生層采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和仿生結(jié)構(gòu)相互融合的設(shè)計(jì)方法。

首先根據(jù)蜂窩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)蜂窩的每一個(gè)蜂房都為正六邊形，一個(gè)正六邊形與下一個(gè)正六邊形有機(jī)結(jié)合，頭部為開口端，是蜜蜂主要活動(dòng)場(chǎng)所。尾部為相同的三角菱形構(gòu)成鉆石形，尾部與尾部彼此相連，構(gòu)成密閉的空間，使每一個(gè)蜂房之間相互獨(dú)立，如圖11所示。

圖11 蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖

在設(shè)計(jì)模具零件時(shí)，根據(jù)蜂窩的結(jié)構(gòu)形狀，將其單獨(dú)蜂房結(jié)構(gòu)拆卸，結(jié)合模具零件的實(shí)際情況，在保證模具壁厚的情況下，對(duì)蜂房的大小形狀進(jìn)行調(diào)整。蜂房的高度是根據(jù)模具膠位決定的，一般蜂房的高度距離模具膠位5到8毫米之間。所有蜂房全部豎立在模具中，其開口的頭部在模具零件的下方，開口朝下有利于3D打印的金屬粉末排出。其尾部靠近模具膠位部分，尾部朝上是充分利用蜂房尾部的三角菱形構(gòu)成鉆石形，其鉆石結(jié)構(gòu)有著優(yōu)越結(jié)構(gòu)特性，在3D打印時(shí)，其鉆石型結(jié)構(gòu)與利于3D打印的金屬粉結(jié)合，防止在3D打印時(shí)出現(xiàn)坍塌、金屬塊狀掉落以及內(nèi)應(yīng)力集中嚴(yán)重時(shí)模具零件出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致模具零件報(bào)廢。零件將大小不一的蜂房有序均勻地排布在模具零件中，在模具中所有的蜂房都是單向獨(dú)立的存在，蜂房與蜂房之間沒有尾尾銜接。因模具零件中植入了蜂窩結(jié)構(gòu)，故模具零件內(nèi)部也存在著大量的鏤空結(jié)構(gòu)。從而使得模具零件輕量化[7]。

蜂窩結(jié)構(gòu)模具示意圖如圖13所示，首先，模具設(shè)計(jì)時(shí)，模具模型中根據(jù)蜂房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在模型中設(shè)計(jì)蜂房結(jié)構(gòu)，其蜂房外形尺寸結(jié)合模具零件中冷卻水路、頂出孔、高度尺寸需要對(duì)模具膠位進(jìn)行設(shè)計(jì)。蜂房之間的留有3到8毫米壁厚，蜂房的大小相互交叉，用以保證模具零件的強(qiáng)度和最大化仿生蜂窩結(jié)構(gòu)植入，最終在3D打印制造時(shí)減少加工工時(shí)，降低金屬粉末的耗材。模具零件上運(yùn)用3D打印的隨形水路，加強(qiáng)了冷卻效果，降低了生產(chǎn)周期。產(chǎn)品上充分的冷卻提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖12 蜂窩結(jié)構(gòu)模具示意圖

4.3 基于ANSYS Workbench有限元分析仿生模具零件的力學(xué)分析

首先我們利用NX（UG）大型3D建模軟件對(duì)模具零件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，在NX軟件中完成仿生模具零件模型設(shè)計(jì)。

模具零件材料屬性定義為S136材料，S136具有優(yōu)良的耐腐蝕性，耐磨性，熱處理后具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。S136材料的密度為7850kg/m3。S136材料的彈性模量（2.0E+11）Pa，S136材料的泊松比：0.3，楊性模量：2E+11Pa，體積模量：1.6667E+11Pa，剪切模量：76923E+10Pa，模具零件所受到的注塑壓力為60MPa。其注塑壓力為實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的壓力。根據(jù)模具零件在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)所受到約束力一樣的工況，在ANSYS軟件中設(shè)置工況為澆口鑲件底部施加固定約束，模具零件膠位面施加60MPa壓力[8]。

我們基于ANSYS Workbench有限元分析，將模具零件導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行進(jìn)行下一步ANSYS有限元分析處理。我們?cè)谟邢拊浖袑?duì)模型進(jìn)行設(shè)置定義如下圖13。

圖13 ANSYS參數(shù)設(shè)置定義示意圖

我們基于ANSYS Workbench有限元分析，將傳統(tǒng)模具零件與仿生模具零件進(jìn)行比較分析。

①將傳統(tǒng)模具零件模型導(dǎo)入到有限元軟件中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格設(shè)置。具體參數(shù)如表2。

表2 傳統(tǒng)模具網(wǎng)格參數(shù)表格

傳統(tǒng)模具零件網(wǎng)格數(shù)量大約98萬，其中90%單元質(zhì)量大于0.75，網(wǎng)格單元質(zhì)量是越大越好，分析計(jì)算越精確，具體如下圖14。

圖14 網(wǎng)格的單元質(zhì)量分布圖

我們的網(wǎng)格偏斜率平均0.24，網(wǎng)格偏斜率是越小越好，分析計(jì)算越精確，具體如下圖15。

圖15 網(wǎng)格的偏斜率分布圖

將傳統(tǒng)模具零件的網(wǎng)格劃分完成，其最終的狀態(tài)如下圖16。

圖16 傳統(tǒng)模具零件網(wǎng)格圖

②將仿生模具零件模型導(dǎo)入到有限元軟件中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格設(shè)置。具體參數(shù)如表3。

表3 仿生模具網(wǎng)格參數(shù)表格

仿生模具零件網(wǎng)格數(shù)量大約82萬，其中90%單元質(zhì)量大于0.75，仿生模具零件的網(wǎng)格數(shù)量明顯少于傳統(tǒng)具體零件的網(wǎng)格數(shù)量，并且網(wǎng)格的平均單元質(zhì)量略高于傳統(tǒng)模具，如下圖17。

圖17 網(wǎng)格的單元質(zhì)量分布圖

我們的網(wǎng)格偏斜率平均0.23，網(wǎng)格偏斜率是越小越好，分析計(jì)算越精確，仿生模具的網(wǎng)格偏斜率略低于傳統(tǒng)模具，具體如下圖18。

圖18 網(wǎng)格的偏斜率分布圖

綜上所述我們將仿生模具零件的網(wǎng)格劃分完成，其最終的狀態(tài)如下圖19。

圖19 仿生模具零件網(wǎng)格圖

我們對(duì)每一種狀態(tài)進(jìn)行有限元模擬分析計(jì)算，從軟件分析后的結(jié)果進(jìn)行分析。

如下圖20所示：傳統(tǒng)模具和仿生模具的變形都是在相同的區(qū)域，并且兩者之間的最大值相差：0.003282MM。

圖20 變形對(duì)比圖

如下圖21所示：傳統(tǒng)模具和仿生模具的應(yīng)力集中是在相同的區(qū)域，并且兩者之間的最大值相差：30.67MPa。

圖21 應(yīng)力對(duì)比圖

通過以上有限元對(duì)比分析，仿生模具零件是完全可以替代傳統(tǒng)模具零件，并且仿生模具零件優(yōu)于傳統(tǒng)模具零件[9]。

5 仿生模具的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)驗(yàn)證

5.1 仿生模具的高效加工效率

我們通過實(shí)際3D打印生產(chǎn)加工制造的具體時(shí)間，來對(duì)比傳統(tǒng)模具和仿生模具的加工效率。

在同一個(gè)產(chǎn)品上開制出不同的兩組模具，仿生模具是在第一套傳統(tǒng)模具的基礎(chǔ)上開制出的新模具，兩組產(chǎn)品用不同的工裝編碼標(biāo)記。故可以根據(jù)不同的開制時(shí)間的生產(chǎn)訂單來確定產(chǎn)品是何種模具加工的，數(shù)據(jù)具有可靠性。

ZS301-27220B-傳統(tǒng)3D打印制造加工工時(shí)：14小時(shí)40分鐘。如圖22所示。

圖22 傳統(tǒng)模具加工工時(shí)

ZS301-27720D-仿生模具3D打印制造加工工時(shí)：12小時(shí)11分鐘，如圖23所示。

圖23 仿生模具加工工時(shí)

在同樣零件中，仿生模具3D打印制造加工工時(shí)為731分鐘，傳統(tǒng)模具3D打印制造加工工時(shí)為880分鐘。根據(jù)以下計(jì)算公式：

由上述公式可知，3D打印加工制造同樣的零件仿生模具的加工效率提高了20.38%。

5.2 仿生模具的輕量化

在同樣零件中，傳統(tǒng)模具加工完成后模具凈量：4.94KG，如圖24所示。

圖24 傳統(tǒng)模具凈重

仿生模具加工完成后模具凈量：4.34KG，如圖25所示。

圖25 仿生模具凈重

仿生模具3D打印的金屬粉末耗材減少0.5KG，達(dá)到了降低打印耗材，減少了成本。

綜上所述，仿生模具設(shè)計(jì)一方面縮短加工制造工時(shí)，一方面減少3D打印耗材。達(dá)到仿生模具增效降本的目的。

6 結(jié)語

綜上所述，模具零件中經(jīng)常需要增加高效的冷卻水道，雖3D打印打破常規(guī)加工方式，可以加工出隨形產(chǎn)品形狀的冷卻水道，但3D打印一直存在著加工效率低與成本較高這兩大難題。

采用仿生模具增材制造的模具零件可以有效的解決3D打印的加工效率與成本問題。經(jīng)過仿真分析與實(shí)際驗(yàn)證，仿生學(xué)植入到模具零件中不僅能夠提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，而且能夠降低3D打印的成本。仿生模具零件使用性強(qiáng)，模具零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模具零件輕量化程度高，是模具行業(yè)最具有潛力的未來發(fā)展方向之一。