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案例:減重79%,帶點陣結(jié)構的3D打印Ti-6Al-4V注塑模具

魔猴君  行業(yè)資訊   867天前

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通常注塑模具需要很大的重量、巨大的材料成本、安全管理和輔助設施的安裝。在本期案例研究中,通過3D打印-增材制造 (AM) 技術實現(xiàn)了一種由點陣晶格結(jié)構組成的輕質(zhì)注塑模具,模具的重量和材料用量減少了約 79%,通過注塑測試,使用聚氯乙烯 (PVC) 成功注塑 400 次而不損壞模具。

點陣建模軟件點陣建模軟件© 3D科學谷白皮書

輕量化模具

在汽車、航空航天、船舶和家電行業(yè)中,需要大型模具來制造零件。然而,大型注塑模具存在與模具材料的重量和單位成本、安全管理風險以及對輔助設施的需求相關的問題,這些問題可以通過使用輕量化模具來克服。換言之,可以通過3D打印-增材制造技術制造帶點陣結(jié)構的模具內(nèi)部,從而獲得輕量化的效果。

輕量化的實現(xiàn)方式© 3D科學谷白皮書

當前為了減輕模具的重量,有一種方式是采用塑料材質(zhì)的快速模具,不過塑料作為模具存在熱性能低的缺點,因此,對于輕質(zhì)注塑模具,塑料模具是理想的,但是,它們具有熱阻低等局限性。

模具的3D打印制造技術© 3D科學谷白皮書

為了提高傳熱性能,帶點陣晶格結(jié)構的金屬注塑模具是理想的選擇,根據(jù)3D科學谷的了解,一般來說,制造傳統(tǒng)模具需要設計、銑削、車床、鉆孔、線切割、計算機數(shù)控 (CNC) 加工和組裝等許多過程,并且在各個階段都需要熟練的勞動力。通過 AM-增材制造技術可以簡單地減少設計和組裝等過程。

金屬點陣金屬點陣結(jié)構的制造技術© 3D科學谷白皮書

  3D打印點陣晶格結(jié)構的輕質(zhì)模具

 3D打印注塑模具這個過程中,使用點陣晶格結(jié)構可以節(jié)省制造成本,甚至材料成本。在《Lightweight injection mold using additively manufactured Ti-6Al-4V lattice structures》案例中,使用3D打印-增材制造技術,研究人員通過計算機輔助工程 (CAE) 研究了點陣晶格可以承受的最大載荷和最小表面結(jié)構的形成,用于制造輕質(zhì)模具。

研究人員進行了全面的研究,包括點陣晶格結(jié)構的壓縮測試、增材制造設計 (DfAM) 模具的 CAE 分析、輕質(zhì)模具的 AM-增材制造以及注塑成型的可行性測試。

Lightweight injection_2© Lightweight injection mold using additively manufactured Ti-6Al-4V lattice structures

對于以拉伸和彎曲為主的晶格結(jié)構,首先根據(jù)施加于注塑模具的壓縮載荷來研究屈服強度。此外,通過CAE分析確認了模具的應力分布,同時考慮了注射過程中聚合物材料在模具中的鎖模力和壓力。

根據(jù)知乎,鎖模力又稱合模力,是指注塑機的合模機構對模具合模后所能施加的最大夾緊力。當原料以高壓注入模穴內(nèi)時會產(chǎn)生一個撐模的力量,因此注塑機的鎖模單元必須提供足夠的“鎖模力”使模具不至于被熔融料撐開。當熔體充滿型腔時,注射壓力在型腔內(nèi)所產(chǎn)生的作用力總是力圖使模具沿分型面脹開,為此,注射機的鎖模力必須大于型腔內(nèi)熔體壓力與塑料制品及澆注及澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積之和的乘積。

基于壓縮測試和CAE分析,每個能夠抵抗注塑過程中產(chǎn)生的載荷的晶格結(jié)構都被適當?shù)胤胖迷谀>邇?nèi)。使用聚氯乙烯 (PVC) 或橡膠注射所需的 Ti-6Al-4V 增材制造輕質(zhì)模具;模具材料會受到基于氯化物和硫磺的腐蝕。

結(jié)果,與實心模具相比,重量成功減輕了約 79%,并且使用 PVC 注射了 400 次注射到輕質(zhì)模具中而沒有任何損壞,這證實了輕質(zhì)模具用于注塑成型的可行性。換句話說,通過將 AM 技術與 Ti-6Al-4V 一起應用,展示了一種具有點陣晶格結(jié)構的輕質(zhì)模具,因此,預計這樣的設計將有助于擴大在模具行業(yè)中使用 AM-增材制造 技術的應用領域,包括安全相關風險預防和降低成本。

研究人員設計的點陣晶格結(jié)構是使用3D systems3DXpert軟件設計的結(jié)構,使用ANSYS靜態(tài)結(jié)構軟件進行結(jié)構分析,以確認在注射成型過程中根據(jù)密度和模具的壓縮載荷下晶格結(jié)構的單元格的應力分布。在單元格結(jié)構分析的情況下,網(wǎng)格尺寸設置為 0.2 mm。

為了驗證3D打印-增材制造具有點陣晶格結(jié)構的Ti-6Al-4V材質(zhì)的輕質(zhì)模具的可行性,研究人員進行了注塑測試,將 PVC 熔體注入3D打印的輕質(zhì)模具中。噴嘴溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、保壓壓力和冷卻時間分別設置為 250 °C、20 mm/s、22 MPa 15 s。反復進行注塑測試,直到注塑周期達到 400 次。

 3D打印點陣晶格的更多機遇與挑戰(zhàn)

點陣或帶螺旋的輕量化結(jié)構不僅僅可以用于為模具減重,還可以直接作為留道,提升注塑模具散熱能力。通過使用螺旋狀的冷卻流道,使得熱交換表面增大,同時減少了壁的厚度。

不過,點陣結(jié)構的建模和3D打印中還存在不少挑戰(zhàn)。一個關鍵的挑戰(zhàn)是要證明設計的性能可靠性,特別是在抗疲勞方面。由于點陣結(jié)構的表面和尖銳的交叉點很多,這帶來了應力集中。在點陣結(jié)構的設計方面,軟件企業(yè)與增材制造企業(yè)以及點陣結(jié)構應用企業(yè)進行了大量探索。例如,在軟件企業(yè)中,安世亞太針對增材制造點陣結(jié)構仿真分析,開發(fā)了多尺度算法仿真軟件Lattice Simulation,基于多尺度算法,用戶可以采用等效均質(zhì)化技術對點陣結(jié)構進行有限元分析,并且提取非均質(zhì)化點陣結(jié)構的等效材料參數(shù),在均質(zhì)化等效實體模型宏觀力學分析后,可以通過局部分析對胞元結(jié)構進行詳細的應力校核。

在應用企業(yè)中,中國空間技術研究院總體部根據(jù)三維點陣的胞元形式的特點,結(jié)合三維點陣在航天器結(jié)構中應用的實際情況,提出三維點陣結(jié)構胞元的表達規(guī)范,即通過胞元占據(jù)的空間并結(jié)合胞元桿件的直徑來表達三維點陣結(jié)構胞元的設計信息。


來源:3D科學谷

   
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