OPM Lab森本一穗社長：3D打印金屬模具隨形水路設(shè)計(jì)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(jìn)行隨性水路設(shè)計(jì)理念的介紹

森本一穗社長簡(jiǎn)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(huì)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(shù)�,，F(xiàn)今,，金屬3D打印技術(shù)已被世界所認(rèn)知,，很多設(shè)備廠商也參與進(jìn)來,，為提升市場(chǎng)佔(zhàn)有率而進(jìn)行激烈的競(jìng)爭(zhēng),。

我司自成立以來,，我們研究的重點(diǎn)在于如何將精密金屬3D打印技術(shù)從市場(chǎng)應(yīng)用的角度給客戶提供服務(wù)。我司現(xiàn)在已擁有超過35名工程師的設(shè)計(jì)集團(tuán),，他們?cè)诹慨a(chǎn)應(yīng)用中具備豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及制造經(jīng)驗(yàn),。

在這次的投稿里，我們會(huì)以實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)為中心,，去探討在設(shè)計(jì)隨形水路時(shí)需要注意的要點(diǎn),。

１、關(guān)于隨形水路技術(shù)
作為3D金屬打印技術(shù)的重要應(yīng)用的「隨形水路」,，就如大家所聞,，因?yàn)樗苡行У目s短成形冷卻時(shí)間，提升成形品質(zhì),，所以現(xiàn)在被越來越多的世界先進(jìn)企業(yè)推廣使用,。
同時(shí)我們運(yùn)用科盛科技公司的Moldex3D及MoldFlow等軟體進(jìn)行模流分析，通過事先對(duì)隨形水路的效果進(jìn)行評(píng)估設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的結(jié)果,。我們相信此技術(shù)今后會(huì)得到加速推廣,。
然而，由于目前在隨形水路的設(shè)計(jì)上由于還沒有完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化,，所以設(shè)計(jì)出來的隨形水路實(shí)際也會(huì)出現(xiàn)不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)效果的情況,。今后我們的課題是整合我司目前積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過大量的實(shí)例更加清晰的規(guī)范隨形水路的的技術(shù),，將此技術(shù)升華為一個(gè)能夠掌控的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),。

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(jìn)行等角,、等距離的水路配置設(shè)計(jì)（如下圖）。

在傳統(tǒng)模具制作時(shí)，由于現(xiàn)在產(chǎn)品形狀愈來愈復(fù)雜,，CAV及CORE模腔拆分也越來越多,，同時(shí)模具內(nèi)部還會(huì)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(shù),，能夠把傳統(tǒng)只能拆分制作的CAV及CORE進(jìn)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(shù)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(shè)計(jì)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(dòng)（圖1）
・模具內(nèi)部流線型掏空,，冷卻媒體以一定的方式流動(dòng)（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(dòng)中產(chǎn)生死水,，模具內(nèi)部空洞率增加而降低模具強(qiáng)度等不良結(jié)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(gè)詳細(xì)介紹。

3,、實(shí)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(shè)計(jì)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(yīng)用效果
眾所周知,，隨形水路設(shè)計(jì)時(shí)如果考慮的不周全將會(huì)很難收到預(yù)期的效果,。
比如水路截面如果過小則會(huì)因壓力損失過大而造成冷卻媒體的流動(dòng)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(huì)產(chǎn)生壓力損失，也會(huì)影響冷卻效果的發(fā)揮,。
這些都要在隨形水路設(shè)計(jì)時(shí)加以注意,。

５、水路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的更靠近產(chǎn)品面,。但是太靠近又會(huì)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(shè)計(jì)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(diǎn) :
隨形水路內(nèi)部的壓力評(píng)測(cè)（圖 1）
模仁鑲件所受的最大內(nèi)部壓力評(píng)測(cè)（圖 2）
模具表面所受的最大應(yīng)力評(píng)測(cè)（圖 2）

之后根據(jù)疲勞測(cè)試的數(shù)據(jù)所進(jìn)行評(píng)估，找出最適合的隨形水路設(shè)計(jì)方案,。并把這些評(píng)測(cè)結(jié)果以及實(shí)際數(shù)據(jù)綜合起來,，塑料模具的隨形水路設(shè)計(jì)規(guī)則最后我們總結(jié)所推薦的參數(shù) ( 圖 3)。

6,、水路設(shè)計(jì)的原理原則
( 圖 4) 顯示的是成形時(shí)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(dǎo)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(gè)基本原理原則,。如果設(shè)計(jì)時(shí)不遵循這個(gè)原則，就算搭載了隨形水路也無法達(dá)到預(yù)期的效果,。

在進(jìn)行隨形水路的設(shè)計(jì)時(shí),，我們需要理解射出成形中的冷卻系統(tǒng)關(guān)系的重要公式，并且復(fù)習(xí)它,，我再來詳細(xì)的說明一下,。

成形品的冷卻時(shí)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(kuò)散率成反比
冷卻時(shí)間可以用以下的公式來表示,，

Tc：冷卻時(shí)間                   α：熱擴(kuò)散
Thw：最大成形品肉厚    Dr：流道最大直徑
當(dāng)肉厚變?yōu)?2 倍時(shí),，冷卻時(shí)間將會(huì)變成 4 倍。

溶融樹脂的熱擴(kuò)散的公式為

k：熱傳導(dǎo)率 P：密度 Cv：定容比熱
射出成形相關(guān)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)上述公式是了解的,。

然后,，層流和亂流的雷諾數(shù)的計(jì)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(shí)我們稱為亂流,。

（根據(jù)文獻(xiàn)不同會(huì)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(yù)測(cè)
・模具強(qiáng)度面的預(yù)測(cè)
・水路必要直徑的預(yù)測(cè),、必要流動(dòng)長度的預(yù)測(cè)
・流體的速度、流線方向
・水路內(nèi)壁的粗糙度,、殘留應(yīng)力
我們?cè)谠O(shè)計(jì)隨形水路時(shí)只有都考慮評(píng)測(cè)到,，才是最有設(shè)計(jì)依據(jù)與效率的設(shè)計(jì)方式。

7,、射出成形時(shí)冷卻流程重要性的基本理念
要想設(shè)計(jì)出最好方案的隨形冷卻水路,，設(shè)計(jì)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(diǎn)（參見圖1,、圖2）

  ・縮水
  ・翹曲
  ・冷卻時(shí)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(dǎo)熱能力的差別
・纖維方向的差別
這些因素是需要在設(shè)計(jì)階段考慮,、預(yù)測(cè)并解決的,。

另外過長的成形時(shí)間（過長的冷卻時(shí)間）會(huì)直接影響產(chǎn)量，提高生產(chǎn)成本,。因此模具的冷卻設(shè)計(jì)是我們需要關(guān)注的重要問題,。

8、隨形冷卻水路設(shè)計(jì)的實(shí)例展示與學(xué)習(xí)

前7章我介紹了隨形冷卻水路基本的設(shè)計(jì)理念,，從本章開始我會(huì)給大家展示我們以往的實(shí)際案例和大家具體介紹隨形冷卻水路的設(shè)計(jì)方法,。

這個(gè)是塑料瓶的瓶胚的案例。瓶胚的進(jìn)膠口附近的冷卻,，用傳統(tǒng)工藝很難達(dá)到縮短冷卻時(shí)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(dǎo)套鑲件往往采用分割成兩塊的方式制作,，內(nèi)部會(huì)鏤空做出如圖4-A式樣的水路。
我司在進(jìn)行3D打印時(shí)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,。