欧特克Autodesk：注塑模具冷却和衍生式设计为松下工程师解决难题
▲图 风扇叶片的形状在衍生式设计过程中经过多次迭代。
注塑成型工艺对于批量生产形状复杂的塑料零件至关重要。为了以较低的成本生产出更优质的产品，业界一直优先考虑为熔融材料开发先进的冷却系统。但即使对于熟练的工程师而言，这也是一项艰巨而耗时的工作。用于模具冷却水道的自动化设计能否帮助工程师应对这一挑战？
在日本，松下集团的生活方案公司正押注于此，该公司使用世界上第一台混合金属 3D 打印机 LUMEX Avance-25，针对模具冷却水道开发了一种新的制造方法。该方法将增材制造和铣削相结合，形成了一个共形冷却系统。这种系统中冷却通道与产品形状吻合，与直接从模具中钻出冷却通道的传统方法相比，冷却时间减少了 20％。
该公司的制造工程中心负责设计和制造模具。Seiichi Uemoto 是该中心的分析师。他开设了模具设计课程，支持计算机辅助工程（CAE）技能开发，以传授设计模具所需的先进技术。
▲图 松下生活方案公司制造工程中心的 Seiichi Uemoto 受到启发，尝试使金属模具设计自动化。
在优化盒形金属模具的冷却回路设计（此设计曾在 2014 年的 InterMold 展览会上展出）时，Uemoto 使用成型产品的翘曲数据分析冷却通道之间的间隙。这项工作启发了他尝试使金属模具设计自动化。
Uemoto 说：“我认为，只要有正确的设置，我就可以使用衍生式设计自动创建模具冷却通道。”他看到了衍生式设计如何运用结构分析，有效地实现形状的轻量化。
他还说：“拓扑优化只能按照提供给系统的条件中产生一种解决方案，很难从结果中生成具有平滑轮廓的东西。但我明显看到，衍生式设计会固有地产生更平滑的形状。我觉得通过衍生式设计，我们能够有效地产生顾及制造原则的多个概念。”
衍生式设计支持的工作流程
Uemoto 希望将衍生式设计应用到模具上，从而产生新的模具形状，并使设计过程本身自动化。其司技术高超的设计师正在开发由欧特克 Moldflow 支持的各种产品。Moldflow 的成型仿真可以进一步完善他们的设计。Uemoto 说：“我觉得，如果我们的自动化设计能提供给设计师意想不到的洞察力，这将为设计师的工作带来更多的灵活性。”
为了实现这一目标，松下与位于英国伯明翰的欧特克高级咨询团队合作，做一个将衍生式设计应用于模具冷却水道的项目。他们选择了已经大量生产的管道通风系统风扇叶片作为测试对象。
▲图 管式风扇中使用的叶片模具（左一）被选为衍生式设计的目标。松下集团生活方案公司供图。
这些风扇叶片很小，但形状复杂。设计专家对风扇叶片的初始形状设置了约束条件，对要生成的水通道指定了一系列条件，还设置了一些限制，以防止通道路径影响成型产品的精细部分。
在衍生式设计过程中，产品的形状经过多次迭代不断变化，直到仅剩下用于创建所需水道的必要组件。由于松下的工程师已经设计出了高度精制的模具，因此 Uemoto 原本以为，该软件可能难以大幅提高原始设计的效率。他说：“没想到，自动化生成的完全成型的模型超出预期。”
更令人惊讶的是水通道的布局。一些设计包括，原本设置为沿着模具外壳延伸的通道，变得以独特的方式分叉。Uemoto 将最终的设计描述为超出自己的想象。他说：“衍生式设计过程提供的形状永远不可能被任何人构思出来。”
▲图 案例 C（左）的衍生式设计基于形状限制为设计师设计的初始形状；案例 D（右）的衍生式设计基于形状仅受外壳的初始形状限制。松下集团生活方案公司供图。
通过生产证明能力
按照设计过程，他们制造了四个不同的模具样品：
案例 B，由资深工程师设计的已用于制造的原始零件；
案例 C，基于原始零件的自动化衍生式设计；
案例 D，一个对形状限制较为宽松的衍生式设计；
案例 E，与案例 C 设计相同，只是添加了水通道。使用模具制造的产品经过精确测量，以评估每个模具的性能。
模具产品的测量结果表明，使用自动化生成的冷却通道的模具与资深工程师的设计相比，二者的性能差异很小。Uemoto 说：“我可以看到，设计是如何通过改变模具内的温度来塑造产品的。这非常了不起。最终，我们获得了轮廓平滑的 CAM（计算机辅助制造）数据，实现了我们进行自动化设计的目标。”
▲图 衍生式设计的模具经过了制造、成型、验证工序。松下集团生活方案公司供图。
经验丰富的工程师需要大约八个小时来设计模具。无论技术水平如何，目前都无法简化该过程。尽管如此，Uemoto 希望这个项目的成功可以引出解决方案，从而减轻工程师的设计负担。
Uemoto 说：“这是一个巨大的进步。如果在不久的将来，这成为打包软件的一部分，可能会带来加快速度的解决方案，使我们能够开发更专注于温度控制的程序。那样，将使很多用户和应用程序受益。”
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