3D打印随形冷却高成效仿真应用

一、随型冷却与3D打印技术

• 产品对随型冷却的需求

  大家比较关心的问题是“我们什么时候需要用到随型冷却”? 事实上这是关于采用新技术的ROI 投资回报率问题，因为需要考虑新技术的成本。通常来说：两种产品最需要用到随型冷却： 杯子状/盒状产品和大的曲率变化的产品。另外对于肉厚分布不均的产品，需要关注的成型周期和变形问题。如今，产品的品质要求越来越高，传统的冷却无法满足这些要求。随型冷却成为解决这些问题的最佳技术。

• 随型冷却水路的加工

  1.直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering ）使用激光，向上一层层烧结金属粉末，生成型芯或型腔。这是一种理想的方法，当型芯或腔体尺寸较小时常用，因为金属粉末是相当昂贵的。

  2.热/压融合技术（Heat/Pressure）:在真空炉中通过加热和加压将两块或多块金属板熔接在一起。
       相对来说，3D激光打印技术因其可以加工任意形状，具有更高的设计弹性，成为随型冷却水路加工的最佳方式。但目前成本仍偏高。

• 产品对随型冷却的需求

  3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。

二、Moldflow随形冷却分析

• Moldflow随形冷却分析

AutodeskSimulation Moldflow应用了Autodesk Simulation CFD强大的计算流体力学分析功能，进行随形冷却的3D水路仿真分析。

• 消除热点

• 确定死角

• 3D水路建模及分析与MoldflowInsight Cool (FEM)集成

• 关于Autodesk Simulation CFD

• AutodeskSimulation CFD的前身是美国蓝脊数码公司的CFdesign， 2011年3月被欧特克收购。2011年8月，欧特克正式推出AutodeskSimulation CFD CFD = Computational Fluid Dynamics计算流体力学。

• Autodesk Simulation CFD旨在为客户解决产品设计和优化中遇到的流动与传热问题。

• Moldflow随形冷却分析结果应用

Conformal CoolingChannel       Velocity – Hot Spot

Conformal CoolingChannel       Velocity – Hot Spot

• 建立随形冷却网格的工作流程

1.导入CAD产品生成Solid 3D 或 Dual    Domain网格

2.选择一个包含 Cool (FEM)的分析序列

3.浇注系统建模或指定一个注射位置

4.柱体单元冷却系统建模

5.添加呈现随形冷却水路的CAD模型

6.赋予3D水路属性为随形冷却水路

7.为随形冷却水路设置冷却剂入口和出口

8.建立模具模型（模具结构划分为3D网格Moldblock 3D属性)

9.创建3D 水路网格（在3D 水路上设置边界条件为进水口和出水口）

10.定义需要的成型参数设置然后运行分析

• 随形冷却: 3D 水路网格划分选项

• 分离度因子自动的目标长度被计算增加该值, 目标长度增加=> 网格粗糙

• 流动间隙单元(目标)确保一个合理的单元数量在受限的流动区域，没有高的纵横比这些单元在增强层之间

• 增强层(目标)与表面接触的单元层数

    

• 随形冷却: 3D分析注意事项
  

• 冷却剂出口: 默认设置为大气压

• 随形冷却分析可用RHCM快速加热/冷却

• 目前版本分析时间会较长，由于暂未实施并行运算技术

  
  

    最佳方法 :

1. 应用3D水路网格生成形状更为精准

2. CFD求解器具有与Moldflow3D 流动求解器不同的网格要求

3. 转换Moldflow产品网格为3D水路网格会产生较差的结果

4. 可能的话对普通水路用1D Beam水路

5. 1D Beam水路分析更快，占用更少内存，结果精准

6. 1D Beam水路和3D水路可以共存

三、Moldflow随型水路冷却分析应用

• Moldflow随形冷却分析应用

  案例说明：此为某公司开发的产品，应用3D打印随形冷却水路，并采用Moldflow仿真分析。

• 随形冷却与传统冷却的比较实验

 >>要评估随形冷却水路的效果，需要与一个传统水路设计（两条冷却水路）进行比较。

>>以模具温度分布结果为主要评判指标

随型冷却建模                       传统水路建模

 随型冷却温度曲线               传统水路温度曲线

>>结果：相对于传统冷却水路，随型冷却水路在产品冷却困难部分冷却效率更高，产品各部位温度分布均匀。

• 3D水路分析结果

3D水路速度分布        3D水路压力分布

模具瞬态温度分布

• 随形冷却与传统冷却的温度结果比较

    结果：产品热点温度相差35度，成型周期差4秒。对于该产品来说：相对于传统冷却水路，随型冷却水路在产品冷却困难部分冷却效率更高，温度可快速下降到顶出温度以下

，大幅减小成型周期。

四、结论

    随着产品品质要求越来越高，结构越来越复杂，传统的冷却技术对某些领域的产品已无法适用，并遇到品质提升的瓶颈。随型冷却因其最靠近产品表面，以高的冷却效率和均衡的冷却品质解决了传统技术无法实现的难题。

    3D打印技术出现和发展，实现了设计加工自由度的大幅提升，使模具领域复杂随型冷却水路加工得以实现。Moldflow仿真技术的应用通过预测，验证和优化设计保障了随型冷却技术的可靠性应用。