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国外对3D打印技术制造随形冷却水道的研究状况

更新时间: 2019-12-30 10:38:45  查看次数: 650    

传统的冷却水道在设计中需要遵循一定的设计原则,但是水道的设计还是存在很大的自由度,不同的设计者针对某个注塑制件所设计的冷却方式往往不同。随形冷却与制品的几何特征有关,在设计中,将会更加的灵活和自由,目前来说,还未存在统一的设计原则,商业化的CAD软件也没有集成相应的随形冷却水道设计模块。但国外针对随形冷却水道的设计的研究已取得了一定的进展。


2000年,美国麻省理工学院的Xu等对注塑模具随形冷却水道的设计原则进行了探讨,总结出了六个原则:(1)随形冷却条件的设计;(2)冷却剂压降的设计;(3)冷却剂温度均匀性的设计;(4)注塑制件充分冷却的设计;(5)冷却均匀性的设计;(6)注塑模具强度和变形的设计。同时构建了基于划分冷却单元的随形冷却水道设计方式,并制造了注塑模具,测试结果表明,与传统冷却方式相比,该随形冷却水道注塑模具能缩短塑件的生产周期20%左右,减少塑件的变形约15%。


2006年,Au设计了可变半径的随形冷却水道(Variable Radius Conformal Cooling Channel),通过加大冷却水道出口来增加出口处冷却水的冷却面积,补偿因冷却水温度升高引起的冷却效率降低和型腔的冷却不均。此外,他还研究了随形冷却面冷却(Conformal Surface Cooling)的设计,将这种冷却方式分为Conformal porous pocket cooling(CPPC)和Conformal scaffold pocket cooling(CSPC),CPPC即是将多孔结构的材料填充到型腔内部替代冷却水道,该结构可以通过3D打印技术制造。CSPC即是参考文献所述冷却方式。为了便于形象直观地观察模具冷却状况,Au借助计算机辅助工业设计(Computer-aided Industrial Design,简称CAID)软件,用光源模拟冷却水道中的关键节点,以光照强度模拟冷却剂的温度,通过观察模型的显示色差来研究冷却效果。该方式省去了CAE分析的繁琐过程,可以快速直观地了解到冷却状况,对冷却水道的布局和设计具有很好的辅助参考作用。


2011年,Yu等在Au的基础上,对注塑模随形冷却水道的自动排布进行了研究,提出了自动生成随形冷却水道的算法,并对基于该算法建立的随形冷却模型进行了分析模拟。结果表明,可以有效地减少冷却时间,保持温度的一致性,减少制品的体积收缩。首先基于几何模型的曲面建立偏移曲面并以此作为随形冷却水道的冷却随形面,然后在该面上生成精细的离散CVD(Centroidal Voronoi diagram)六边形网格模型,最后以网格的边界线作为冷却水道的轨迹线建立冷却水道。Yu等的研究为随形冷却水道的自动设计提供了新的思路。将该方式与CAD软件结合可以较好地解决随形冷却水道的设计,但该方式生成的冷却水道非常复杂,型腔内部的网状结构会降低模具强度,注塑时模具易产生变形,影响制品的质量。同时由于水道支路过多,冷却水难以完全充满所有冷却水道,局部区域甚至无法通过,冷却水压力降较大。香港城市大学也做过此方面的研究,2000年,Li等提出了基于特征的算法,2004年,他们从可加工性和功能性两方面进行了完善,提出了路径搜索算法,该算法虽然是直接针对传统冷却水道的设计,但也可以适用于随形冷却水道的设计。


2011年,韩国蔚山大学的Park和Dang以传统的机械加工为基础,对随形冷却水道的设计和优化进行了研究。Park使用隔板式的冷却方式,将隔板串联,在模型表面构成随形冷却。采用此方式为带自由曲面的大型塑料盖构建了随形冷却水道并进行优化,结果表明,该冷却方式相比3D打印技术,可以在较少的加工成本下获得较好的冷却效果,尤其适用于大型复杂制件的冷却。该方式优点在于加工成本,但由于冷却水道流程过长,冷却水压力降很大,需要较大的泵送力。Dang通过铣削的加工方式,采用镶拼式模具的设计方法,建立了截面为U形的随形冷却水道,以合理的冷却排布和模具温度为目标,利用三维CAE模拟与数值计算公式对不同的冷却水道进行优化,并以汽车挡泥板为例进行验证,结果表明,该优化方式可提高设计效率和生产效率。该研究采用铣削方式制造冷却水道,提供了U形随形冷却水道的模拟计算方法。铣削虽然有良好的可加工性,但是这也限制了水道的设计。镶拼式的模具结构一定程度上影响了冷却效果,也增加了冷却水泄露的可能性。



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