3D打印复杂流道产品的设计方法

一般而言，流道的功能是交换物质或者能量，广泛应用于各个领域，包括航空航天、机器人和生物医学应用。

传统加工方法通常难以直接制造这些具有复杂流道的产品。即使采用分步制造，设计师也通常不得不牺牲部分产品性能来满足工艺的约束或者减轻制造成本的压力。

增材制造不仅为具有内部通道复杂的产品提供了一种新的制造方法，而且引发了新的设计方法的变革。

增材制造复杂流道产品的优势

（1）更自由的流道排布和设计

增材制造具有极高的灵活性，可以通过设计优化流道的排布（如毛细结构、拓扑结构、甚至更复杂的不规则流道）和流道截面形状（如泪珠，菱形，椭圆），提高流道的换热效率、散热效率、流动效率或流场均匀性，而且有利于产品的小型化和轻量化。

（2）实现一体化集成制造

增材制造技术可以一体化集成制造出具有内部流道的整体产品，去除不必要的冶金结合或机械接头，防止接头处的泄漏，从而大大提高产品的安全性和使用寿命。

3D打印随形冷却模具流道的设计

在注塑成型过程中，模具温度的高低和分布是否均匀是影响制品成型质量的一个非常重要的因素。

当前，我们主要依靠冷却系统控制和调节模具温度。冷却通道的几何形状与空间布局影响着注射模具的冷却和制品的冷却均匀度。

传统的冷却水道由于受到材料加工技术及其方法等多方面条件的限制，通常是采用直线形的圆孔管道，模具温度的调节与控制则一般是通过调节冷却介质的温度来实现的。

由于传统的冷却水道是不均匀的分布在模腔两侧，对制品的冷却效率及冷却均匀度都较低，在成型复杂形状的制品时，制品的各个部位很容易由于冷却不均匀而产生收缩、变形、开裂等缺陷。

上图中上表面温度高，下表面温度低，上表面收缩大于下表面，产品中间下凹。

上图中下表面温度高，上表面温度低，下表面收缩大于上表面，产品中间上凸。

结构优化工作室在3D打印随形冷却流道设计方面具有丰富的经验。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。

本期，结构优化工作室以一个注塑模具随形冷却流道设计为例，详解3D打印模具的设计方法。

设计背景

产品头部特征主体胶位肉厚较厚

注塑材料：PP（聚丙烯）

注塑温度：220℃

冷却水温度：35℃

成型周期：70S

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：

1、模流分析仿真注塑过程

2、热场分析仿真热量分布和冷却时间

3、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。上图为冷却水在流道中的流动仿真结果。

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。

为确保设计方案经得起实践的检验，通过强度仿真分析，设计出来的模具具有更可靠的安全性、更高的安装精度、更长的使用寿命。

变形仿真分析，确保型芯精度要求

熔体冲击仿真分析，确保型芯和模具寿命

增材制造复杂流道面临的挑战

虽然增材制造技术可以为功能流道产品的设计和制造带来许多优势，但在多尺度流道应用中仍存在许多挑战。

（1）打印精度还不够高，在成形某些细小结构时，周围的粉末粘连到结构表面，造成流道堵塞（下图红圈处）。

（2）内流道的上下表面质量不一致。一般来说，下表面（内流道的顶部）的成形质量要差于上表面（内流道底部）。

（3）很难精确控制流道内表面的成形质量（下图a）和流道的截面形状（下图b），这对流体的流动效率和换热效率有很大的影响。不同的功能流道往往有不同的具体要求。例如，为了提高流体流动效率，需要降低液压元件中流道的内表面粗糙度，而增加换热器中流道的内表面粗糙度可以提高换热效率。

（3）流道质量的高精度无损检测方法和流道性能的检测方法也需要在今后的研究中探索。

（4）对于流道的整体布局和局部结构设计，仍然缺乏科学有效的设计标准，特别是对于不同功能流道的产品，需要不同的设计标准。