案例：減重79%，帶點陣結構的3D打印Ti-6Al-4V注塑模具

魔猴君  行業資訊   855天前

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) 技術實現了一種由點陣晶格結構組成的輕質注塑模具，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構的模具內部，從而獲得輕量化的效果。

輕量化的實現方式© 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，帶點陣晶格結構的金屬注塑模具是理想的選擇，根據3D科學谷的了解，一般來說，制造傳統模具需要設計、銑削、車床、鉆孔、線切割、計算機數控 (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構的制造技術© 3D科學谷白皮書

  3D打印點陣晶格結構的輕質模具

 在3D打印注塑模具這個過程中，使用點陣晶格結構可以節省制造成本，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構的形成，用于制造輕質模具。

研究人員進行了全面的研究，包括點陣晶格結構的壓縮測試、增材制造設計 (DfAM) 模具的 CAE 分析、輕質模具的 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構，首先根據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時會產生一個撐模的力量,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，注射壓力在型腔內所產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熔體壓力與塑料制品及澆注及澆注系統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生的載荷的晶格結構都被適當地放置在模具內。使用聚氯乙烯 (PVC) 或橡膠注射所需的 Ti-6Al-4V 增材制造輕質模具；模具材料會受到基于氯化物和硫磺的腐蝕。

結果，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 次注射到輕質模具中而沒有任何損壞，這證實了輕質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構的輕質模具，因此，預計這樣的設計將有助于擴大在模具行業中使用 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構是使用3D systems的3DXpert軟件設計的結構，使用ANSYS靜態結構軟件進行結構分析，以確認在注射成型過程中根據密度和模具的壓縮載荷下晶格結構的單元格的應力分布。在單元格結構分析的情況下，網格尺寸設置為 0.2 mm。

為了驗證3D打印-增材制造具有點陣晶格結構的Ti-6Al-4V材質的輕質模具的可行性，研究人員進行了注塑測試，將 PVC 熔體注入3D打印的輕質模具中。噴嘴溫度、螺桿轉速、保壓壓力和冷卻時間分別設置為 250 °C、20 mm/s、22 MPa 和 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

點陣或帶螺旋的輕量化結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，點陣結構的建模和3D打印中還存在不少挑戰。一個關鍵的挑戰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。在點陣結構的設計方面，軟件企業與增材制造企業以及點陣結構應用企業進行了大量探索。例如，在軟件企業中，安世亞太針對增材制造點陣結構仿真分析，開發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化技術對點陣結構進行有限元分析,并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數，在均質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構進行詳細的應力校核。

在應用企業中，中國空間技術研究院總體部根據三維點陣的胞元形式的特點，結合三維點陣在航天器結構中應用的實際情況，提出三維點陣結構胞元的表達規范，即通過胞元占據的空間并結合胞元桿件的直徑來表達三維點陣結構胞元的設計信息。

來源：3D科學谷