OPM Lab森本一穗社長：3D打印金屬模具隨形水路設計理念

來源： 劉可飛 立模激光科技上海有限公司

OPM Laboratory 森本一穗社長親自為各位朋友進行隨性水路設計理念的介紹

森本一穗社長簡介
• OPM Laboratory 創(chuàng)業(yè)代表取締役就任        
• The Pennsylvania State University 研究員
• Rise Mold Laser Technology 董事長兼任
• UNISYS Corporation CAD/CAM 開発
• 美國UNISYS CAD/CAM 開發(fā)執(zhí)行董事        
• 日本政府経済產(chǎn)業(yè)大臣賞受賞


前言
株式會社OPM研究所作為世界性的先驅(qū)公司在2004年就開始開發(fā)了精密金屬3D打印技術�，F(xiàn)今，金屬3D打印技術已被世界所認知，很多設備廠商也參與進來，為提升市場佔有率而進行激烈的競爭。

我司自成立以來，我們研究的重點在于如何將精密金屬3D打印技術從市場應用的角度給客戶提供服務。我司現(xiàn)在已擁有超過35名工程師的設計集團，他們在量產(chǎn)應用中具備豐富設計經(jīng)驗及制造經(jīng)驗。

在這次的投稿里，我們會以實際設計應用總結出來的經(jīng)驗為中心，去探討在設計隨形水路時需要注意的要點。


１、關于隨形水路技術
作為3D金屬打印技術的重要應用的「隨形水路」，就如大家所聞，因為它能有效的縮短成形冷卻時間，提升成形品質(zhì)，所以現(xiàn)在被越來越多的世界先進企業(yè)推廣使用。
同時我們運用科盛科技公司的Moldex3D及MoldFlow等軟體進行模流分析，通過事先對隨形水路的效果進行評估設計出最優(yōu)化的結果。我們相信此技術今后會得到加速推廣。
然而，由于目前在隨形水路的設計上由于還沒有完全達到標準化，所以設計出來的隨形水路實際也會出現(xiàn)不能完全達到設計效果的情況。今后我們的課題是整合我司目前積累的設計經(jīng)驗，通過大量的實例更加清晰的規(guī)范隨形水路的的技術，將此技術升華為一個能夠掌控的設計標準。

２、隨形水路的定義及分類
隨形水路的隨形的定義是，在模具內(nèi)與產(chǎn)品面進行等角、等距離的水路配置設計（如下圖）。

   

在傳統(tǒng)模具制作時，由于現(xiàn)在產(chǎn)品形狀愈來愈復雜，CAV及CORE模腔拆分也越來越多，同時模具內(nèi)部還會有大量的頂出孔，水路必須要回避這些孔位，所以理論上的等角、等距離是無法保證的。

但是通過精密金屬3D打印技術，能夠把傳統(tǒng)只能拆分制作的CAV及CORE進行一體化制作，通過一體化制作保證了水路配置的空間，然后在通過打印技術在模具內(nèi)部配置隨形水路，使模具的熱交換能力得到非常高效的提升。


隨形水路的設計方法有以下兩類
・模具內(nèi)部格子狀掏空，冷卻媒體以亂流的方式流動（圖1）
・模具內(nèi)部流線型掏空，冷卻媒體以一定的方式流動（圖2）

這里面，格子狀的亂流方式雖然看起來比較酷，但是它容易造成水路堵塞清理不便，流動中產(chǎn)生死水，模具內(nèi)部空洞率增加而降低模具強度等不良結果，所以我們不推薦此種方式。
此次投稿我想就流線型的隨形水路做一個詳細介紹。


3、實際案例中隨形水路的種類
如下圖所示，流線型隨形水路的設計方法有以下3種代表性種類。
・Z型隨形水路
・螺旋型隨行水路
・平行型隨形水路
根據(jù)模具的產(chǎn)品部形狀及模具的種類，我們?nèi)ミx擇最適合的方式。

4、如何最大限度的發(fā)揮隨形水路的應用效果
眾所周知，隨形水路設計時如果考慮的不周全將會很難收到預期的效果。
比如水路截面如果過小則會因壓力損失過大而造成冷卻媒體的流動效果不暢（表1參照），水路的截面必須得保證有Φ1以上才能發(fā)揮冷卻效果。
另外如圖3所示，如果水路截面形狀或者截面面積在中途有變化也會產(chǎn)生壓力損失，也會影響冷卻效果的發(fā)揮。
這些都要在隨形水路設計時加以注意。

５、水路設計的基本規(guī)則
為了發(fā)揮最大的冷卻效果，所以我們必然要將隨形水路設計的更靠近產(chǎn)品面。但是太靠近又會造成水路距產(chǎn)品面的肉厚太薄而發(fā)生破損及漏水。


在 OPM 公司所設計的模具隨形水路中（圖 1）
利用 CAE 模流分析可以解析得到以下重點 :
隨形水路內(nèi)部的壓力評測（圖 1）
模仁鑲件所受的最大內(nèi)部壓力評測（圖 2）
模具表面所受的最大應力評測（圖 2）

之后根據(jù)疲勞測試的數(shù)據(jù)所進行評估，找出最適合的隨形水路設計方案。并把這些評測結果以及實際數(shù)據(jù)綜合起來，塑料模具的隨形水路設計規(guī)則最后我們總結所推薦的參數(shù) ( 圖 3)。                                   

         

   


6、水路設計的原理原則
( 圖 4) 顯示的是成形時模具內(nèi)水路與塑料產(chǎn)品間影響的基本原理模式。水路至產(chǎn)品面的金屬肉厚越薄，熱傳導率的效果就越高，然后，在同等肉厚的條件下，亂流要比層流的效率高。這是一個基本原理原則。如果設計時不遵循這個原則，就算搭載了隨形水路也無法達到預期的效果。

在進行隨形水路的設計時，我們需要理解射出成形中的冷卻系統(tǒng)關系的重要公式，并且復習它，我再來詳 細的說明一下。


成形品的冷卻時間與
•成形品里面中最大肉厚的 2 次方、
以及流道的最大直徑的 1.6 次方成比例
•溶融樹脂的熱擴散率成反比
冷卻時間可以用以下的公式來表示，
         
Tc：冷卻時間                    α：熱擴散         
Thw：最大成形品肉厚     Dr：流道最大直徑
當肉厚變?yōu)?2 倍時，冷卻時間將會變成 4 倍。


溶融樹脂的熱擴散的公式為
                  
k：熱傳導率        P：密度   Cv：定容比熱
射出成形相關的設計人員應該對上述公式是了解的。


然后，層流和亂流的雷諾數(shù)的計算公式為

                           


P：流體密度             U ：流體的平均速度
d：管道直徑              ŋ：流體的黏性系數(shù)
通常來說，Re ＞ 2300 時我們稱為亂流。




（根據(jù)文獻不同會有差異）
上述提到的這些基本參數(shù)
・產(chǎn)品厚度的把握
・模具溫度及樹脂溫度的預測
・模具強度面的預測
・水路必要直徑的預測、必要流動長度的預測
・流體的速度、流線方向
・水路內(nèi)壁的粗糙度、殘留應力
我們在設計隨形水路時只有都考慮評測到，才是最有設計依據(jù)與效率的設計方式。




7、射出成形時冷卻流程重要性的基本理念
要想設計出最好方案的隨形冷卻水路，設計者必須先要理解因冷卻不足而造成的種種不良現(xiàn)象。
冷卻流程不良的現(xiàn)象主要反映為以下3點（參見圖1、圖2）

  ・縮水
  ・翹曲
  ・冷卻時間長

特別是直接影響成形品質(zhì)的縮水、翹曲，它們是由于產(chǎn)品體積收縮不均衡的差別而造成的。
・保壓力的差別
・模具溫度分布=導熱能力的差別
・纖維方向的差別
這些因素是需要在設計階段考慮、預測并解決的。

另外過長的成形時間（過長的冷卻時間）會直接影響產(chǎn)量，提高生產(chǎn)成本。因此模具的冷卻設計是我們需要關注的重要問題。



8、隨形冷卻水路設計的實例展示與學習

前7章我介紹了隨形冷卻水路基本的設計理念，從本章開始我會給大家展示我們以往的實際案例和大家具體介紹隨形冷卻水路的設計方法。

這個是塑料瓶的瓶胚的案例。瓶胚的進膠口附近的冷卻，用傳統(tǒng)工藝很難達到縮短冷卻時間的效果，因此我們打算通過添加隨形冷卻水路來加以改善。（參考圖3）

為了最大限度的提升冷卻效率，傳統(tǒng)的澆口導套鑲件往往采用分割成兩塊的方式制作，內(nèi)部會鏤空做出如圖4-A式樣的水路。
我司在進行3D打印時考慮的隨形冷卻水路方案為圖4的B案和C案。
B案為類似傳統(tǒng)水路方式，但是更加接近膠位部分。
C案為流線型方式，同樣接近膠位部分。

那么，諸位認為B案和C案哪一種冷卻效果會更好呢？原因呢？

下一章我會通過模流分析的比較結果來詳細闡明它們的差異�！�