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，其強度重量比和剛性重量比在已知材料中是很高的。同時擁有重量輕、不易變形、不易開裂和斷裂等優(yōu)點。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打印軟件對模型進行編程，計算出最優(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毛坯的工件；⑤熱處理工序，對零件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進一步優(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→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

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

運用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間，進而縮短成形周期，同時提升注塑件產(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，高度尺寸相對寬度的比較高度落差大，外殼的內(nèi)部卡扣較多，模具復雜。

圖1 外殼實物圖

傳統(tǒng)的冷卻無法及時疏散模具熱量，導致產(chǎn)品零件溫度過高。此時若采用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，其進膠方式和模具排位如圖2所示：細水口進膠，膠口直接點在外殼產(chǎn)品上。

圖2 進膠方式和模具排位

我們基于Moldflow軟件對外殼進行模流分析比較。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)對比

利用UG軟件里面對產(chǎn)品模型進行排位，然后將模型導入到Moldflow軟件進行模擬分析。首先對產(chǎn)品進行網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格設(shè)置，網(wǎng)格類型為雙層面，曲面上的全局邊長為3mm，全部的網(wǎng)格數(shù)為：51408個。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到26度。故仿生模具的所需要的冷卻時間更短，成型效率更高。溫差對比圖如下圖4所示。

圖4 零件溫度差對比

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

圖5 頂出溫度時間差對比

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 縮收變形量對比圖

3 3D打印注塑模具的痛點

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。同時由于目前的3D設(shè)計軟件全部采用的是實密性造型，每層截面全部輪廓皆為實密，掃描燒結(jié)截面面積大，掃描時間長，輸出加工程序多，加工時所耗費的金屬粉末多，進一步造成3D打印模具零件成本高的痛點。

4 仿生學在注塑模具零件中的應(yīng)用

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

仿生學是科學家們根據(jù)自然生物的圖形，形態(tài)，功能，結(jié)構(gòu)，原理等特點學習研究，并且使各種特點服務(wù)人類，人類模擬自然生物的一門學科。

在仿生學中有形態(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，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。不定根全部生長在地底下，發(fā)達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 蓮藕實物圖

下面我們以膠蓋組件的產(chǎn)品為列，該組件由3個注塑件組成，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)，動定模圓形鑲件全部采用3D打印，動模鑲件尺寸為直徑48mm×48.7mm。3D打印的金屬粉末為進口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)模具零件全部為實體模型，實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)計出仿生蓮藕模具零件，如圖8所示。

圖8 形態(tài)仿生對比圖

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算公式：

圖9 孔隙率對比圖

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)有模具零件實密性，解決了3D打印的加工效率和成本問題，同時實現(xiàn)了模具零件輕量化設(shè)計。

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

圖10 蜂窩實物圖

結(jié)構(gòu)仿生模具設(shè)計時，首先按照傳統(tǒng)模具設(shè)計，進行模具零件結(jié)構(gòu)設(shè)計；再根據(jù)模具的外形輪廓，進行下一步的仿生設(shè)計。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)計方法。

首先根據(jù)蜂窩的結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)蜂窩的每一個蜂房都為正六邊形，一個正六邊形與下一個正六邊形有機結(jié)合，頭部為開口端，是蜜蜂主要活動場所。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，使每一個蜂房之間相互獨立，如圖11所示。

圖11 蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖

在設(shè)計模具零件時，根據(jù)蜂窩的結(jié)構(gòu)形狀，將其單獨蜂房結(jié)構(gòu)拆卸，結(jié)合模具零件的實際情況，在保證模具壁厚的情況下，對蜂房的大小形狀進行調(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，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打印時出現(xiàn)坍塌、金屬塊狀掉落以及內(nèi)應(yīng)力集中嚴重時模具零件出現(xiàn)裂紋，導致模具零件報廢。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)計時，模具模型中根據(jù)蜂房的結(jié)構(gòu)特點，在模型中設(shè)計蜂房結(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、高度尺寸需要對模具膠位進行設(shè)計。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度和最大化仿生蜂窩結(jié)構(gòu)植入，最終在3D打印制造時減少加工工時，降低金屬粉末的耗材。模具零件上運用3D打印的隨形水路，加強了冷卻效果，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分析

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

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。其注塑壓力為實際生產(chǎn)時的壓力。根據(jù)模具零件在實際生產(chǎn)時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，將模具零件導入到有限元軟件中進行進行下一步ANSYS有限元分析處理。我們在有限元軟件中對模型進行設(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行比較分析。

①將傳統(tǒng)模具零件模型導入到有限元軟件中，對模型進行網(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入到有限元軟件中，對模型進行網(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

我們對每一種狀態(tài)進行有限元模擬分析計算，從軟件分析后的結(jié)果進行分析。

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)力對比圖

通過以上有限元對比分析，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 仿生模具的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)驗證

5.1 仿生模具的高效加工效率

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

在同一個產(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記。故可以根據(jù)不同的開制時間的生產(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：14小時40分鐘。如圖22所示。

圖22 傳統(tǒng)模具加工工時

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

圖23 仿生模具加工工時

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

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，達到了降低打印耗材，減少了成本。

綜上所述，仿生模具設(shè)計一方面縮短加工制造工時，一方面減少3D打印耗材。達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)過仿真分析與實際驗證，仿生學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，模具零件結(jié)構(gòu)簡單，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。