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(shè)施的安裝。在本期案例研究中，通過(guò)3D打印-增材制造(AM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種由點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)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(guò)注塑測(cè)試，使用聚氯乙烯(PVC)成功注塑400次而不損壞模具。

點(diǎn)陣建模軟件點(diǎn)陣建模軟件? 3D科學(xué)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(lái)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(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)輔助設(shè)施的需求相關(guān)的問(wèn)題，這些問(wèn)題可以通過(guò)使用輕量化模具來(lái)克服。換言之，可以通過(guò)3D打印-增材制造技術(shù)制造帶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的模具內(nèi)部，從而獲得輕量化的效果。

輕量化的實(shí)現(xiàn)方式? 3D科學(xué)谷白皮書

當(dāng)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(guò)塑料作為模具存在熱性能低的缺點(diǎn)，因此，對(duì)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(shù)? 3D科學(xué)谷白皮書

金屬點(diǎn)陣金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)? 3D科學(xué)谷白皮書

3D打印點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)模具

在3D打印注塑模具這個(gè)過(guò)程中，使用點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)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(shù)，研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)研究了點(diǎn)陣晶格可以承受的最大載荷和最小表面結(jié)構(gòu)的形成，用于制造輕質(zhì)模具。

研究人員進(jìn)行了全面的研究，包括點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的壓縮測(cè)試、增材制造設(shè)計(jì)(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(cè)試。

Lightweight injection_2?《Lightweight injection mold using additively manufactured Ti-6Al-4V lattice structures》

根據(jù)知乎，鎖模力又稱合模力，是指注塑機(jī)的合模機(jī)構(gòu)對(duì)模具合模后所能施加的最大夾緊力。當(dāng)原料以高壓注入模穴內(nèi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)撐模的力量,因此注塑機(jī)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(dāng)熔體充滿型腔時(shí)，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(jī)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(cè)試和CAE分析，每個(gè)能夠抵抗注塑過(guò)程中產(chǎn)生的載荷的晶格結(jié)構(gòu)都被適當(dāng)?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(huì)受到基于氯化物和硫磺的腐蝕。

研究人員設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)是使用3D systems的3DXpert軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，使用ANSYS靜態(tài)結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以確認(rèn)在注射成型過(guò)程中根據(jù)密度和模具的壓縮載荷下晶格結(jié)構(gòu)的單元格的應(yīng)力分布。在單元格結(jié)構(gòu)分析的情況下，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2 mm。

為了驗(yàn)證3D打印-增材制造具有點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V材質(zhì)的輕質(zhì)模具的可行性，研究人員進(jìn)行了注塑測(cè)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(shí)間分別設(shè)置為250°C、20 mm/s、22 MPa和15 s。反復(fù)進(jìn)行注塑測(cè)試，直到注塑周期達(dá)到400次。

3D打印點(diǎn)陣晶格的更多機(jī)遇與挑戰(zhàn)

點(diǎn)陣或帶螺旋的輕量化結(jié)構(gòu)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(guò)使用螺旋狀的冷卻流道，使得熱交換表面增大，同時(shí)減少了壁的厚度。

在應(yīng)用企業(yè)中，中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部根據(jù)三維點(diǎn)陣的胞元形式的特點(diǎn)，結(jié)合三維點(diǎn)陣在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的實(shí)際情況，提出三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元的表達(dá)規(guī)范，即通過(guò)胞元占據(jù)的空間并結(jié)合胞元桿件的直徑來(lái)表達(dá)三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元的設(shè)計(jì)信息。