技术应用：增材制造在模具行业的应用

来源： 数字化工业软件技术期刊

摘要：增材制造在各行业的应用越来越广泛。针对模具行业，增材制造主要用于模具原型、具有3D随形冷却水道的模具零件打印、模具修复。本文介绍了西门子增材制造解决方案及其在模具中的应用样例。

1.   增材制造及西门子解决方案
增材制造正在推动创新并帮助企业客户克服当今的障碍，通过减材、减重，扩展产品性能等方法来重塑产品，将产品变革从传统设计往面向增材制造的创新设计方面转移；通过消除开模、消除或简化装配等重组制造，将增材制造从原型应用/试验应用往主流工业化生产方面转移；从而实现个性化、客制化、按需打印等，帮助企业重构业务。

但是，当企业试图采用增材制造这一新技术的时候，也面临一些限制。目前的实际情况是企业采用独立的应用系统，它们常常不能一起工作或需要通过文件交换来协同，从而导致数据和流程管理的失控，因而企业需要消除这些障碍，将增材制造融入产品研发制造的实际过程，实现增材制造的工业化应用。

为了帮助工业企业实现数字化转型，西门子提供了最广泛的数字化创新产品组合，涵盖了机械设计、电子及自动化设计、软件工程、仿真测试、制造规划、制造运行等，帮助企业打造产品、生产、运营的数字双胞胎，并基于实际运营的数据反馈来持续改进产品和生产。

针对增材制造应用，西门子提供了从需求驱动的创成式设计到3D打印的端到端集成的增材制造解决方案，涵盖了面向增材制造的创新设计、面向增材制造的仿真分析、面向增材制造的打印准备、面向增材制造的生产运营，着力于实现增材制造的工业化应用。

西门子面向增材制造的设计帮助客户重塑产品。西门子提供的产品研发平台NX提供了全方位的CAD功能，创成式设计、收敛建模、晶格结构设计、增材制造设计规则验证等功能的加入，使得设计人员能将增材制造思维融入到产品的创新研发过程。

正是由于在NX系统中增加了面向增材制造的设计，使得NX产品研发平台能够全面支持传统设计流程和新设计流程，实现增材制造从传统的快速原型到扫描到打印、优化到打印的全面支持。

面向增材制造的仿真实现预测性功能分析。西门子希望通过通过数字化仿真确保设计和工艺的正确性，努力让增材制造更加可实现，为此西门子提供了Simcenter产品组合应用于预测性工程分析。构建于NX的Simcenter 3D仿真提供多学科的仿真用于验证产品性能以及增材制造打印过程仿真。

NX集成的打印准备功能帮助客户重组制造。包含了面向增材制造打印准备功能的NX CAM提供了广泛的制造功能，可将3D打印完全融入到产品的生产作业流程之中。西门子单一系统NX支持主要的3D打印技术，包括粉末床熔融、定向能量沉积、多射流熔融、多轴材料挤出成型等。

2.   增材制造在模具行业的典型应用
增材制造在模具行业的典型应用主要包含三个方面：

• 快速模具原型制造。
• 具有随形冷却水道的模具零件打印。
• 增减材混合加工用于模具修复。
  

在本文中主要介绍前两方面的应用。

2.1 PolyJet 3D打印模具
PolyJet 3D打印使快速制造定制注塑模具从不可能变成为可能，该模具原型可在最终生产的注塑机中生产少量零件(10-100件)。这模具原型可以使用常规的注塑机和生产用的塑料於真实境中进行注塑成型的测试，因它与许多常用的注塑热塑性塑料兼容，从而使用户可以使用与最终生产部件相同的塑料进行原型制作及测试。

PolyJet 3D打印的模具不是用於大批量生产，而是用於模具设计和测试阶段，它提供的明显优势在于能验证模具的注塑成型可能性及测试塑胶成品的完成较果。产品设计师和模具设计师可使用这些3D打印模具进行该产品的全功能测试，

由於塑料几何形状或模具设计的缺陷可以在最容易修复的早期发现，这让设计师可基于测试的结果更频繁、更准确地测试及更改他们的设计，并可满怀信心地投入生产，而不必担心要负担过高的模具成本。而且，这也可以减少昂贵、费时的模具校正时间、提高产品创新能力并加快整的产品开发周期的速度。

至於打印模具须要的时间要视乎它的复杂程度和大小而定，从模具设计完成后到最终测试产品，最快只需几个小时即可在完成。

图片来自互联网:

2.2 3D打印异形冷却水路
直接金属激光烧结（DMLS）是一项关键技术，用于在注塑过程中打印模具型芯（也称为模具嵌件）。直接金属激光烧结的制造过程就跟它的名字一样: 3D打印机通过用激光将金属粉末一层一层地烧结起来，从而增加该零件的平面及立体尺寸。同时该过程使工程师可以优化冷却水路的设计，因为3D打印冷却水路可以打印成任何形状，并且比传统的减材法可以实现的更接近零件的水路。更均匀的温度控制，从而显着提高注射循环的性能、塑胶零件的生产速度和质量。

实际上，一些研究证实，与由钻床生产的具有直冷却水路的简单方法相比，异形冷却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间设置成相等的距离，从而使成型零件得到均匀的冷却。零件中均匀的温度可将缺陷最小化。例如：翘曲、缩痕，收缩和熔接线…….等等，大大提高其质量。还有一点很重要，它有助于减少40％–60％的冷却时间，因为时间就是金钱，所以总体制造成本也会随之而下降。

至於水路的直径，应根据冷却水路与型腔之间的距离进行选择。一般来说，最佳直径应在4到12毫米之间（取决于产品的设计）。有时会因模具形状太细而无法遵循此规则。如果水路直径正确，在冷却液注入水路之后，高温的产品塑料可以在模具中均匀且有效地冷却及固化。但是要注意一点：不建议将冷却水路与型腔之间的距离设计得太薄。在某些复杂的几何限制情况下，需要设计更小的直径。DMLS可以建立直径小于1毫米的水路。但是，可能需要使用特殊处理的冷却液以避免堵塞。仿真软件也可在这种情况下帮助找到正确的水路布局。FEA或模流分析软件（例如Simcenter 及Moldex3D）可以帮助优化设计。

(图片来自互联网)

3.   增材制造在模具制造中的应用案例介绍
Toolcraft是一家德国的先进制造企业，他们将西门子提供的增材制造解决方案应用于其注塑模具的创新研发中，包括对具有随形冷却水道的模具零件进行优化设计、通过模具冷却分析进行设计验证、打印过程模拟仿真进行制造确认，以及打印后零件的精加工处理等。

Toolcraft采用增材制造的模具也在2019年上海的TCT展会上进行了展示。增材制造为Toolcraft带来的收益包括：

• 由于采用了随形冷却，使得模具使用过程的零件注塑节拍时间缩短了30%
• 由于采用了优化设计，模具重量减轻了50%
• 能耗更低
• 而模具的制造成本与传统模具制造相当。
  

Toolcraft公司的董事总经理ChristophHauck总结道：“西门子为我们提供了最完成的、全关联端到端过程链，涵盖了从设计到零件的3D打印，包括零件打印后的精加工和质量保证等全流程，让我们能将增材制造转变为工业生产技术”