Moldflow&3D打印，隨形冷卻高成效仿真應用

來源：歐艾堤希張秀元


一、隨型冷卻與3D打印技術
產(chǎn)品對隨型冷卻的需求
大家比較關心的問題是“我們什么時候需要用到隨型冷卻”? 事實上這是關于采用新技術的ROI 投資回報率問題，因為需要考慮新技術的成本。通常來說：兩種產(chǎn)品最需要用到隨型冷卻： 杯子狀/盒狀產(chǎn)品和大的曲率變化的產(chǎn)品。另外對于肉厚分布不均的產(chǎn)品，需要關注的成型周期和變形問題。如今，產(chǎn)品的品質要求越來越高，傳統(tǒng)的冷卻無法滿足這些要求。隨型冷卻成為解決這些問題的最佳技術。

隨型冷卻水路的加工

1.直接金屬激光燒結（Direct Metal Laser Sintering ）使用激光，向上一層層燒結金屬粉末，生成型芯或型腔。這是一種理想的方法，當型芯或腔體尺寸較小時常用，因為金屬粉末是相當昂貴的。

2.熱/壓融合技術（Heat/Pressure）:在真空爐中通過加熱和加壓將兩塊或多塊金屬板熔接在一起。

相對來說，3D激光打印技術因其可以加工任意形狀，具有更高的設計彈性，成為隨型冷卻水路加工的最佳方式。但目前成本仍偏高。

產(chǎn)品對隨型冷卻的需求
3D打印技術，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚�二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產(chǎn)，大大降低了制造的復雜度。

二、Moldflow隨形冷卻分析
Moldflow隨形冷卻分析
AutodeskSimulation Moldflow應用了Autodesk Simulation CFD強大的計算流體力學分析功能，進行隨形冷卻的3D水路仿真分析。
消除熱點
確定死角
3D水路建模及分析與MoldflowInsight Cool (FEM)集成

關于Autodesk Simulation CFD
AutodeskSimulation CFD的前身是美國藍脊數(shù)碼公司的CFdesign，2011年3月被歐特克收購。2011年8月，歐特克正式推出AutodeskSimulation CFD CFD = Computational Fluid Dynamics計算流體力學。
Autodesk Simulation CFD旨在為客戶解決產(chǎn)品設計和優(yōu)化中遇到的流動與傳熱問題。

Moldflow隨形冷卻分析結果應用
Conformal CoolingChannel Velocity –Hot Spot

Conformal CoolingChannel Velocity –Hot Spot

建立隨形冷卻網(wǎng)格的工作流程
1.導入CAD產(chǎn)品生成Solid 3D 或Dual Domain網(wǎng)格
2.選擇一個包含Cool (FEM)的分析序列
3.澆注系統(tǒng)建模或指定一個注射位置
4.柱體單元冷卻系統(tǒng)建模
5.添加呈現(xiàn)隨形冷卻水路的CAD模型
6.賦予3D水路屬性為隨形冷卻水路
7.為隨形冷卻水路設置冷卻劑入口和出口
8.建立模具模型（模具結構劃分為3D網(wǎng)格Moldblock 3D屬性)
9.創(chuàng)建3D 水路網(wǎng)格（在3D 水路上設置邊界條件為進水口和出水口）
10.定義需要的成型參數(shù)設置然后運行分析

隨形冷卻: 3D 水路網(wǎng)格劃分選項
分離度因子自動的目標長度被計算增加該值, 目標長度增加=> 網(wǎng)格粗糙
流動間隙單元(目標)確保一個合理的單元數(shù)量在受限的流動區(qū)域，沒有高的縱橫比這些單元在增強層之間
增強層(目標)與表面接觸的單元層數(shù)

隨形冷卻: 3D分析注意事項
冷卻劑出口: 默認設置為大氣壓
隨形冷卻分析可用RHCM快速加熱/冷卻
目前版本分析時間會較長，由于暫未實施并行運算技術

最佳方法:
應用3D水路網(wǎng)格生成形狀更為精準
CFD求解器具有與Moldflow3D 流動求解器不同的網(wǎng)格要求
轉換Moldflow產(chǎn)品網(wǎng)格為3D水路網(wǎng)格會產(chǎn)生較差的結果
可能的話對普通水路用1D Beam水路
1D Beam水路分析更快，占用更少內(nèi)存，結果精準
1D Beam水路和3D水路可以共存

三、Moldflow隨型水路冷卻分析應用
Moldflow隨形冷卻分析應用
案例說明：此為某公司開發(fā)的產(chǎn)品，應用3D打印隨形冷卻水路，并采用Moldflow仿真分析。

隨形冷卻與傳統(tǒng)冷卻的比較實驗
>>要評估隨形冷卻水路的效果，需要與一個傳統(tǒng)水路設計（兩條冷卻水路）進行比較。
>>以模具溫度分布結果為主要評判指標

隨型冷卻建模

傳統(tǒng)水路建模

隨型冷卻溫度曲線

傳統(tǒng)水路溫度曲線

>>結果：相對于傳統(tǒng)冷卻水路，隨型冷卻水路在產(chǎn)品冷卻困難部分冷卻效率更高，產(chǎn)品各部位溫度分布均勻。

3D水路分析結果

3D水路速度分布

3D水路壓力分布

模具瞬態(tài)溫度分布

隨形冷卻與傳統(tǒng)冷卻的溫度結果比較

結果：產(chǎn)品熱點溫度相差35度，成型周期差4秒。對于該產(chǎn)品來說：相對于傳統(tǒng)冷卻水路，隨型冷卻水路在產(chǎn)品冷卻困難部分冷卻效率更高，溫度可快速下降到頂出溫度以下，大幅減小成型周期。

四、結論
隨著產(chǎn)品品質要求越來越高，結構越來越復雜，傳統(tǒng)的冷卻技術對某些領域的產(chǎn)品已無法適用，并遇到品質提升的瓶頸。隨型冷卻因其最靠近產(chǎn)品表面，以高的冷卻效率和均衡的冷卻品質解決了傳統(tǒng)技術無法實現(xiàn)的難題。

3D打印技術出現(xiàn)和發(fā)展，實現(xiàn)了設計加工自由度的大幅提升，使模具領域復雜隨型冷卻水路加工得以實現(xiàn)。Moldflow仿真技術的應用通過預測，驗證和優(yōu)化設計保障了隨型冷卻技術的可靠性應用。

新技術的產(chǎn)生和發(fā)展需要一個過程，但其不會逆轉。3D打印及隨型冷卻技術將很快廣泛應用。Moldflow已做好了的實現(xiàn)了隨型冷卻精準分析的技術保障。您準備好了嗎？