技術(shù)應(yīng)用：增材制造在模具行業(yè)的應(yīng)用

來源： 數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期刊

摘要：增材制造在各行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。針對模具行業(yè)，增材制造主要用于模具原型、具有3D隨形冷卻水道的模具零件打印、模具修復(fù)。本文介紹了西門子增材制造解決方案及其在模具中的應(yīng)用樣例。

1.   增材制造及西門子解決方案
增材制造正在推動創(chuàng)新并幫助企業(yè)客戶克服當今的障礙，通過減材、減重，擴展產(chǎn)品性能等方法來重塑產(chǎn)品，將產(chǎn)品變革從傳統(tǒng)設(shè)計往面向增材制造的創(chuàng)新設(shè)計方面轉(zhuǎn)移；通過消除開模、消除或簡化裝配等重組制造，將增材制造從原型應(yīng)用/試驗應(yīng)用往主流工業(yè)化生產(chǎn)方面轉(zhuǎn)移；從而實現(xiàn)個性化、客制化、按需打印等，幫助企業(yè)重構(gòu)業(yè)務(wù)。

但是，當企業(yè)試圖采用增材制造這一新技術(shù)的時候，也面臨一些限制。目前的實際情況是企業(yè)采用獨立的應(yīng)用系統(tǒng)，它們常常不能一起工作或需要通過文件交換來協(xié)同，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)和流程管理的失控，因而企業(yè)需要消除這些障礙，將增材制造融入產(chǎn)品研發(fā)制造的實際過程，實現(xiàn)增材制造的工業(yè)化應(yīng)用。

為了幫助工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，西門子提供了最廣泛的數(shù)字化創(chuàng)新產(chǎn)品組合，涵蓋了機械設(shè)計、電子及自動化設(shè)計、軟件工程、仿真測試、制造規(guī)劃、制造運行等，幫助企業(yè)打造產(chǎn)品、生產(chǎn)、運營的數(shù)字雙胞胎，并基于實際運營的數(shù)據(jù)反饋來持續(xù)改進產(chǎn)品和生產(chǎn)。

針對增材制造應(yīng)用，西門子提供了從需求驅(qū)動的創(chuàng)成式設(shè)計到3D打印的端到端集成的增材制造解決方案，涵蓋了面向增材制造的創(chuàng)新設(shè)計、面向增材制造的仿真分析、面向增材制造的打印準備、面向增材制造的生產(chǎn)運營，著力于實現(xiàn)增材制造的工業(yè)化應(yīng)用。

西門子面向增材制造的設(shè)計幫助客戶重塑產(chǎn)品。西門子提供的產(chǎn)品研發(fā)平臺NX提供了全方位的CAD功能，創(chuàng)成式設(shè)計、收斂建模、晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計、增材制造設(shè)計規(guī)則驗證等功能的加入，使得設(shè)計人員能將增材制造思維融入到產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)過程。

正是由于在NX系統(tǒng)中增加了面向增材制造的設(shè)計，使得NX產(chǎn)品研發(fā)平臺能夠全面支持傳統(tǒng)設(shè)計流程和新設(shè)計流程，實現(xiàn)增材制造從傳統(tǒng)的快速原型到掃描到打印、優(yōu)化到打印的全面支持。

面向增材制造的仿真實現(xiàn)預(yù)測性功能分析。西門子希望通過通過數(shù)字化仿真確保設(shè)計和工藝的正確性，努力讓增材制造更加可實現(xiàn)，為此西門子提供了Simcenter產(chǎn)品組合應(yīng)用于預(yù)測性工程分析。構(gòu)建于NX的Simcenter 3D仿真提供多學(xué)科的仿真用于驗證產(chǎn)品性能以及增材制造打印過程仿真。

NX集成的打印準備功能幫助客戶重組制造。包含了面向增材制造打印準備功能的NX CAM提供了廣泛的制造功能，可將3D打印完全融入到產(chǎn)品的生產(chǎn)作業(yè)流程之中。西門子單一系統(tǒng)NX支持主要的3D打印技術(shù)，包括粉末床熔融、定向能量沉積、多射流熔融、多軸材料擠出成型等。

2.   增材制造在模具行業(yè)的典型應(yīng)用
增材制造在模具行業(yè)的典型應(yīng)用主要包含三個方面：

• 快速模具原型制造。
• 具有隨形冷卻水道的模具零件打印。
• 增減材混合加工用于模具修復(fù)。
  

在本文中主要介紹前兩方面的應(yīng)用。

2.1 PolyJet 3D打印模具
PolyJet 3D打印使快速制造定制注塑模具從不可能變成為可能，該模具原型可在最終生產(chǎn)的注塑機中生產(chǎn)少量零件(10-100件)。這模具原型可以使用常規(guī)的注塑機和生產(chǎn)用的塑料於真實境中進行注塑成型的測試，因它與許多常用的注塑熱塑性塑料兼容，從而使用戶可以使用與最終生產(chǎn)部件相同的塑料進行原型制作及測試。

PolyJet 3D打印的模具不是用於大批量生產(chǎn)，而是用於模具設(shè)計和測試階段，它提供的明顯優(yōu)勢在于能驗證模具的注塑成型可能性及測試塑膠成品的完成較果。產(chǎn)品設(shè)計師和模具設(shè)計師可使用這些3D打印模具進行該產(chǎn)品的全功能測試，

由於塑料幾何形狀或模具設(shè)計的缺陷可以在最容易修復(fù)的早期發(fā)現(xiàn)，這讓設(shè)計師可基于測試的結(jié)果更頻繁、更準確地測試及更改他們的設(shè)計，并可滿懷信心地投入生產(chǎn)，而不必擔(dān)心要負擔(dān)過高的模具成本。而且，這也可以減少昂貴、費時的模具校正時間、提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力并加快整的產(chǎn)品開發(fā)周期的速度。

至於打印模具須要的時間要視乎它的復(fù)雜程度和大小而定，從模具設(shè)計完成后到最終測試產(chǎn)品，最快只需幾個小時即可在完成。

圖片來自互聯(lián)網(wǎng):

2.2 3D打印異形冷卻水路
直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）是一項關(guān)鍵技術(shù)，用于在注塑過程中打印模具型芯（也稱為模具嵌件）。直接金屬激光燒結(jié)的制造過程就跟它的名字一樣: 3D打印機通過用激光將金屬粉末一層一層地?zé)�結(jié)起來，從而增加該零件的平面及立體尺寸。同時該過程使工程師可以優(yōu)化冷卻水路的設(shè)計，因為3D打印冷卻水路可以打印成任何形狀，并且比傳統(tǒng)的減材法可以實現(xiàn)的更接近零件的水路。更均勻的溫度控制，從而顯著提高注射循環(huán)的性能、塑膠零件的生產(chǎn)速度和質(zhì)量。

實際上，一些研究證實，與由鉆床生產(chǎn)的具有直冷卻水路的簡單方法相比，異形冷卻水路能更靠近要成型的零件，并且可以在零件表面和最近的水路之間設(shè)置成相等的距離，從而使成型零件得到均勻的冷卻。零件中均勻的溫度可將缺陷最小化。例如：翹曲、縮痕，收縮和熔接線…….等等，大大提高其質(zhì)量。還有一點很重要，它有助于減少40％–60％的冷卻時間，因為時間就是金錢，所以總體制造成本也會隨之而下降。

至於水路的直徑，應(yīng)根據(jù)冷卻水路與型腔之間的距離進行選擇。一般來說，最佳直徑應(yīng)在4到12毫米之間（取決于產(chǎn)品的設(shè)計）。有時會因模具形狀太細而無法遵循此規(guī)則。如果水路直徑正確，在冷卻液注入水路之后，高溫的產(chǎn)品塑料可以在模具中均勻且有效地冷卻及固化。但是要注意一點：不建議將冷卻水路與型腔之間的距離設(shè)計得太薄。在某些復(fù)雜的幾何限制情況下，需要設(shè)計更小的直徑。DMLS可以建立直徑小于1毫米的水路。但是，可能需要使用特殊處理的冷卻液以避免堵塞。仿真軟件也可在這種情況下幫助找到正確的水路布局。FEA或模流分析軟件（例如Simcenter 及Moldex3D）可以幫助優(yōu)化設(shè)計。

(圖片來自互聯(lián)網(wǎng))

3.   增材制造在模具制造中的應(yīng)用案例介紹
Toolcraft是一家德國的先進制造企業(yè)，他們將西門子提供的增材制造解決方案應(yīng)用于其注塑模具的創(chuàng)新研發(fā)中，包括對具有隨形冷卻水道的模具零件進行優(yōu)化設(shè)計、通過模具冷卻分析進行設(shè)計驗證、打印過程模擬仿真進行制造確認，以及打印后零件的精加工處理等。

Toolcraft采用增材制造的模具也在2019年上海的TCT展會上進行了展示。增材制造為Toolcraft帶來的收益包括：

• 由于采用了隨形冷卻，使得模具使用過程的零件注塑節(jié)拍時間縮短了30%
• 由于采用了優(yōu)化設(shè)計，模具重量減輕了50%
• 能耗更低
• 而模具的制造成本與傳統(tǒng)模具制造相當。
  

Toolcraft公司的董事總經(jīng)理ChristophHauck總結(jié)道：“西門子為我們提供了最完成的、全關(guān)聯(lián)端到端過程鏈，涵蓋了從設(shè)計到零件的3D打印，包括零件打印后的精加工和質(zhì)量保證等全流程，讓我們能將增材制造轉(zhuǎn)變?yōu)楣�業(yè)生產(chǎn)技術(shù)”