仿真与增材制造速度工装设计

作者:Mark Davey，美国巴特利特高级伟创力公司首席工程师

当模具供应商告诉伟创力高级工程师，验证为新型紧凑的液体/空气热交换器制造翅片管的模具需要大量的故障排除和成本时，他们转向Ansys软件。万博用人万博Ansys LS-DYNA模拟冲压操作使他们能够在第一时间设计出一个级进模原型。他们能够以比最佳供应商报价低95%的成本和75%的时间生产该工具。

伟创力正在开发下一代紧凑型液体/空气热交换器(HEX)，适用于多种工业和移动应用。通过使用翅片管来增加管内热气体和壳内冷水之间的传热，新的HEX比目前的型号更小更轻。然而，这些翅片管的制造具有挑战性，因为翅片的高宽比使冲压变得困难，因为在原片和级进模具上都有很高的应力和应变。当该公司把这个新设计交给两家工具供应商时，一家说他们无法做到，另一家说需要12周的时间和6万美元的成本，因为要制造出可靠的工具，需要在车间进行漫长的试错过程。伟创力高级工程师决定使用Ansys LS-DYNA模拟冲压操作万博显式动态软件加快工具原型化过程。仿真使得识别和纠正现有原始级进模设计中的问题成为可能，选择正确的零件材料并验证将翅片弯曲成圆柱体的过程。使用增材制造(3D打印)，模拟开发的工具仅用了三周时间，成本为3000美元，并且第一次就完美地工作了。

制造过程的第一步是将翅片冲压成平面图案。

制造过程的第一步是将翅片冲压成平面图案。

“通过模拟，可以在第一次交付时获得合适的模具，从而节省了数万美元，使公司能够满足产品推出计划。”

新一代十六进制

Senior Flexonics生产工业热交换器，以及用于重型，中型和轻型卡车的EGR冷却器，高压柴油燃料管和轨道，水管，涡轮排油管道，金属波纹管，活塞冷却射流和复杂的组件。该公司的工程师设计了最新的HEX，以增加冷热流体之间的热传导，使冷却器更小、更轻，这在汽车和卡车市场都是重要的优势。为了做到这一点，他们在管子内设计了纵向翅片，以增加管子内的热气体和热交换器外壳内的冷液体之间的接触面积。

当伟创力高级工程师向他们的模具供应商索要制造翅片所需的级进模模具的报价时，供应商指出翅片的深度迫使不锈钢材料达到其成形极限的边缘。他们说，要提前预测一个能提供正确最终形状的模具几何形状是非常困难的。他们还担心高压区域的撕裂问题。他们预计需要一个反复试验的过程来满足设计规范。

仿真发现了现有级进模设计所产生的翅片问题。

增材制造与拓扑优化

模拟冲压操作

伟创力的高级工程师决定在内部设计该工具，并与3D打印服务机构签订合同来建造它。工程师们并不熟悉Ansys LS-DYNA，但由于他们熟悉Ansys LS万博-DYNA，他们能够快速轻松地设置模拟万博Ansys Workbench环境．在CAD软件中提取初始刀具设计，在Workbench中打开CAD模型。工程师使用自动多区域法在Workbench中生成有限元网格。他们将该工具建模为17-4 PH值的不锈钢固体元件，原材料建模为400系列不锈钢外壳元件。该模型包含64230个节点和67112个元素。为了模拟从进料溜槽中拉出的材料带，他们使用摩擦元件施加力来模拟从线圈中释放和预紧材料带所需的力。工程师们编写了一个用户定义的函数来描述一个随时间变化的正弦位移函数，该函数在模具的每次冲程中提供逐步启动和减速，以确保稳定的解决方案。

万博Ansys LS-DYNA在38小时内迭代得到了四个冲压周期的瞬态解决方案。模拟位移结果表明，现有的初始工具设计所生产的零件在其顶部和壁面会发生弯曲，而它本应是相对平坦的，并且鳍根处的半径过大。条形应变结果显示有相当大的撕裂。根据仿真结果，伟创力高级工程师调整了刀具的几何形状以抵消失真问题。他们将材料改为316L不锈钢来解决撕裂的问题。仅经过几次迭代，模拟预测新的级进模设计将产生正确的几何形状，并将撕裂限制在条带上的第一个鳍，这是可以接受的。工装应力测试结果表明，该工装可以很好地承受成形过程。基于这些结果，伟创力高级工程师从3D打印服务局订购了原型工具。

压缩弯曲没有正确密封管子。

在现有工具上生产的第一个翅片符合模拟预测。

模拟管材成形操作

在等待级进模具交付时，伟创力高级工程师将注意力转向开发一种工艺，将翅片条形成圆柱体，以便插入管中。他们首先使用LS-DYNA模拟压缩弯曲技术。仿真结果表明，这种方法不会使鳍的末端一起形成一个完整的圆柱体。接下来，他们模拟了一个切向擦拭系统，但这种方法也没有完全关闭圆柱体。最后，他们模拟了一个滚动过程，该过程提供了相当好的结果，但仍然没有完全形成圆柱体。工程师们修改了滚压模具设计，减小了出口直径，使滚压后的圆柱体从工具中弹出，回弹插入管中。仿真表明，这种方法提供了一个紧密的接缝，所以滚动模具也从3D打印服务局采购。

当原型级进模收到后，伟创力高级工程师将其安装在冲压压力机中，并运行一个短条。结果与模拟预测结果非常吻合，并且在优化的3D打印工具上生产的所有第二翼都符合修正的模拟预测。第二代滚动模具正确密封管道。设计规范。滚动模具首次工作正常，与仿真结果吻合。如果没有模拟，级进模和滚动模都可能需要昂贵的维修，甚至可能需要重建来解决模拟中发现的问题。通过模拟，可以在第一次交货时获得合适的模具，从而节省了数万美元，使公司能够满足产品开发进度。

在优化的3D打印工具上生产的第二个鳍片符合修正的模拟预测。

第二代滚动模具正确密封管道。