增材专栏 | 实战案例之3D打印随形流道注塑模具的设计与仿真
以下文章来源于增材制造创新设计 ，作者结构优化工作室
在塑料注塑过程中，模具温度对注塑制品的质量和生产效率有重要的影响。模具型腔中的冷却均匀性直接影响制品的热残余应力，热残余应力是注塑品变形的重要原因。模具型腔中的冷却速度直接影响冷却时间，整个产品的生产周期长短主要由冷却时间控制。因此对模具的温度控制就变得尤为重要，它主要通过模具的冷却系统来进行适当的控制和调节。传统的模具冷却水路加工方法主要采用钻孔加工，所以冷却水路主要是直线型。同时，水路在设计时还受到抽芯机构、顶出系统、镶拼结构等的约束，严重制约着冷却水道的分布、大小和数量。3D打印技术在成形复杂结构方面具有天然的优势，让复杂结构的随形冷却流道变为可能。随形冷却流道的结构优化，有利于提高水路的冷却平衡性，消除模具中的热点，使冷却更均匀，避免产品发生变形、裂纹等缺陷。随形冷却流道的结构优化，也有利于减少冷却时间，缩短产品的生产周期，提高生产效率。缩短成形周期可以使注塑件生产效率提高。在一个注塑成形周期中，开模、闭模、注塑以及保压时间通常远小于塑件的固化及冷却时间，固化及冷却时间占整个成形周期的50%~80%。3D打印随形冷却流道更贴近模具型腔表面，提高冷却效率，缩短成形周期。模具温度稳定，能减少塑件收缩率的波动，提高塑件成形精度。一般来说，结晶形塑料，模具温度高有利于结晶过程的进行，结晶充分的塑件在存放或使用过程中不易发生尺寸的变化。较柔软的塑料，成形过程中适合用低模具温度。无论哪种材料，3D打印随形冷却流道模具温度越恒定，其收缩越一致，越有利于提高成形注塑品的尺寸精度。不均匀的冷却会在注塑件中产生内部残余热应力，对注塑件的力学性能产生不利的影响。3D打印随形冷却流道模具均匀冷却可以降低塑件内应力，提高塑件的力学性能和使用寿命。结构优化工作室基于注塑产品的技术需求、随形水路的设计要求、3D打印的工艺特点，为模具行业应用提供全套解决方案。包括模流分析、随形水路设计、模具3D打印、模具的后续处理和加工。本文以一个注塑模具随形冷却流道设计为例，详解3D打印模具设计的全过程。01设计背景注塑材料：PP（聚丙烯）
注塑温度：220℃
冷却水温度：35℃
成型周期：70S
02设计过程3D打印对结构复杂性不敏感，因此可以制造出复杂的内流道，可以简单概括为：直径大小任意变化；截面形状任意变化；流动方向任意变化。因此，设计师可以根据实际需要设计出最符合应用需求的随形流道。主要设计过程包括：
模流分析仿真注塑过程；
热场分析仿真热量分布和冷却时间；
强度分析仿真流道结构可靠性和寿命。
通过模流分析软件，仿真产品的凝固过程，找到凝固时间最长的区域。此案例中产品结构肉厚差距比较明显，很显然在产品头部（上图红色区域）凝固最慢。
通过模流分析软件，仿真模具温度的分布，找到模具温度的最高区域，在该区域加强冷却水道分布，使模具温度更加均匀。上图为模具温度仿真结果。通过流体分析软件，仿真流道内水流的速度与流速分布，尽可能使水流在冷却流道内均匀快速流动，使模具温度更加均匀。通过结构强度仿真软件，计算冷却流道内壁、模具受熔融塑料冲击面的应力分布，确保模具在使用寿命内安全可靠运行。以上4图为结构强度仿真结果。至此，一个完整的3D打印随形冷却流道设计过程圆满完成，中间可能需要多次迭代，才能满足最终的设计要求。这是一个非常有意思的过程，也可能是一个非常让我上火的过程。
