Wie verwendet man NX, um die besten konturgetreuen Kühlkanäle für Spritzgussformen zu entwerfen?

Das Kühlsystem ist ein wichtiger Bestandteil der Spritzgussform. Das Kühlmittel fließt kontinuierlich im Kühlwasserkanal innerhalb der Form und führt die überschüssige Wärme in der Form ab. Dadurch wird sichergestellt, dass die Formtemperatur in einem angemessenen Bereich geregelt wird.

Ein effizientes Kühlsystem kann nicht nur die Formqualität von Kunststoffprodukten deutlich verbessern, sondern auch den Formzyklus von Kunststoffteilen erheblich verkürzen, die Produktivität steigern und die Produktionskosten senken.

Das herkömmliche Kühlsystem für Spritzgussformen besteht aus einem Kühlkreislauf in Form gerader, sich kreuzender Rohre innerhalb der Form, wie in Abbildung 1a dargestellt. Aufgrund der Einschränkungen bei der Bohrbearbeitung besteht der Nachteil dieser Wasserkanalstruktur darin, dass sie bestimmte Aufgabenbereiche, die eine Kühlung erfordern, nicht erreichen kann, sodass ihre Kühlwirkung nur schwer optimal erreicht werden kann.

Durch die umfassende Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Bereich des Formenbaus ist es einfach, „schattenartige“ Wasserkanäle in Formen zu verarbeiten. Wie in Abbildung 1b dargestellt, erfreuen sich die folgenden Wasserkanäle aufgrund ihrer hervorragenden Kühlwirkung bei Unternehmen zunehmender Beliebtheit.

Obwohl es nicht schwierig ist, frei geformte, konturgetreue Wasserwege mithilfe der 3D-Drucktechnologie herzustellen, ist die Gestaltung solcher freien, flexiblen und veränderbaren Wasserwege eine relativ mühsame Aufgabe.

Während des gesamten Entwurfsprozesses mussten die Designer grundlegende Befehle zur Kurvenbearbeitung verwenden und häufig interaktive Vorgänge ausführen, um den Entwurf des konformen Wasserwegs abzuschließen. Die große Anzahl sich wiederholender Vorgänge während dieses Zeitraums war nicht nur äußerst zeitaufwändig, sondern auch fehleranfällig. Selbst mit Erfahrung kann kein erfahrener Ingenieur, unabhängig von seinem Qualifikationsniveau, diesen Entwurfsprozess vereinfachen.

Daher ist die Frage, wie sich schnell ein konformer Wasserweg entwerfen lässt, ein dringendes Problem, das bei der praktischen Gestaltung von Unternehmensformen gelöst werden muss, und die Erforschung dieses Problems ist von großer technischer Bedeutung.

Abb. 1 Traditioneller Kühlkanal und konturnaher Kühlkanal

Aufgrund der äußerst komplexen und unvorhersehbaren Struktur von Kunststoffteilen in der Technik ist es für die Konstruktion konformer Wasserstraßen schwierig, relativ feste Routinen und Standards wie bei herkömmlichen Wasserstraßen einzuhalten.

Der gesamte Designprozess ist voller Unsicherheit und Innovation, was das große Interesse vieler Forscher geweckt hat. Die Leute versuchen immer, darin bestimmte Regeln zu finden, um das Ziel des schnellen Designs zu erreichen.

Um eine schnelle Gestaltung konformer Wasserstraßen zu erreichen, haben Forscher eine Reihe von Entwurfsmethoden und Algorithmen auf Grundlage verschiedener Theorien aus unterschiedlichen Blickwinkeln vorgeschlagen und die automatische Generierung vieler konformer Wasserstraßenstrukturen, darunter Spiral-, Zickzack-, Kontur- und gefäßähnliche Formen, realisiert und große Fortschritte bei der theoretischen Erforschung und Praxis erzielt.

Der Großteil der bestehenden Forschung zum konformen Wasserstraßendesign konzentriert sich jedoch auf die Theorie und ist nicht sehr praxisorientiert. Insbesondere die Implementierung von Algorithmen für allgemeine Designplattformen ist selten und kann den tatsächlichen Anforderungen der Unternehmen nicht gerecht werden.

Verbesserung der Effizienz und Qualität des Designs von konformen Wasserkanälen für iSpritzgussformenInspiriert von der inneren Kanalstruktur von Lotuswurzeln und der Kombination der Eigenschaften konformer Wasserkanäle, die „der Form der Form folgen“, schlug der Autor eine Methode zur automatischen Generierung konformer Wasserkanäle vor.

Die Formteile werden in Scheiben geschnitten und geschichtet, und die Kontrollpunkte in jeder Schicht werden nacheinander gefunden. Die Kontrollpunkte werden durch Spline-Kurven verbunden, um Trajektorienlinien zu erzeugen, und dann werden die Kühlkanaleinheiten durch Scannen gebildet.

Das System zur automatischen Generierung konturgerechter Wasserkanäle wurde auf der weit verbreiteten 3D-Softwareplattform NX entwickelt, mit der sich konturgerechte Wasserkanäle von Formteilen schnell entwerfen lassen.

Grundlagen

Lotuswurzeln sind ein alltägliches Nahrungsmittel. Wie in Abbildung 2a gezeigt, wachsen sie im Schlamm am Grund des Wassers. Lotus ist die Blüte der Lotuswurzel, die auf der Wasseroberfläche blüht.

Wenn Sie die Lotuswurzel entlang des Querschnitts aufschneiden, wie in Abbildung 2b gezeigt, werden Sie feststellen, dass das Innere der Lotuswurzel nicht massiv ist, sondern viele Durchgangslöcher aufweist, die als Kanäle bezeichnet werden.

Die Leitungskanäle sind etwa gleichmäßig über den Querschnitt der Lotuswurzel verteilt und stören sich gegenseitig nicht. Sie verlaufen durch die gesamte Lotuswurzel.

Ihre freie Form ändert sich mit den Veränderungen der Kontur der Lotuswurzel. Genau wie menschliche Blutgefäße spielen sie die Rolle, Wasser und Nährstoffe zu Pflanzen zu transportieren.

Abb. 2 Lotus-Wurzeldiagramm

Betrachtet man die Leitungsstruktur im Inneren der Lotuswurzel und vergleicht sie mit dem konturnahen Wasserkanal der Spritzgussform, stellt man fest, dass die beiden bis zu einem gewissen Grad ähnlich sind. Der Vergleich ist in Tabelle 1 dargestellt.

Die spezielle Struktur im Inneren der Lotuswurzel bietet eine neuartige Idee für den Aufbau des konformen Wasserkanalmodells. Angesichts der Unterschiede zwischen den beiden ist es bei der Umsetzung der Idee auch erforderlich, die tatsächliche Situation des Designs des Spritzgusskühlsystems zu berücksichtigen und auf mehrere wichtige Punkte zu achten:

(1) Gleichmäßige Verteilung. Vom Querschnitt her ist der Lotuswurzelkanal gleichmäßig und möglichst nah an der Außenfläche angeordnet; der konturnahe Wasserkanal kann nur dann die beste Kühlwirkung erzielen, wenn er gleichmäßig um die Formoberfläche angeordnet ist.

(2) Störungen vermeiden. Egal wie klein der Raum des Lotuswurzelkanals ist, es gibt keine gegenseitigen Störungen. Ebenso kann der konforme Wasserkanal nicht stören oder sich kreuzen.

(3) Biegen. Alle Leitungen der Lotuswurzel sind von unten nach oben parallel angeordnet und nicht verbunden. Der konforme Wasserkanal muss eine Serienstruktur implementieren, um einen Kühlkanal zu bilden. Daher muss das Verbindungsproblem am Ende des Wasserkanals berücksichtigt werden.

(4) Konform. Die gesamte räumliche Form des Lotuswurzelkanals ändert sich mit der Form der Lotuswurzel; der konturgerechte Wasserkanal muss dies ebenfalls berücksichtigen, um den besten Kühleffekt zu erzielen.

(5) Einlass- und Auslasseinstellungen. Der konturnahe Wasserkanal muss die Position des Einlasses und des Auslasses so einstellen, dass er den Anforderungen der Formentechnik entspricht.

Die Grundidee

Inspiriert durch die innere Struktur der Lotuswurzel wird eine Methode zur automatischen Erzeugung konformer Kühlkanäle vorgeschlagen. Die Grundidee ist in Abbildung 3 dargestellt:

Schritt 1: Erstellen Sie eine Reihe von Referenzebenen entlang der Höhenrichtung des Formkerns als Scheibenschichten.

Schritt 2: Schneiden Sie die Referenzebene mit dem Formkern, um die sich schneidenden Konturlinien auf jeder Scheibenschicht zu erhalten.

Schritt 3: Erhalten Sie die Kontrollpunkte auf jeder Schnittebene durch Interferenzprüfung.

Schritt 4: Verwenden Sie Spline-Kurven, um die Kontrollpunkte auf jeder Schnittebene nacheinander zu verbinden und so eine Scan-Trajektorie zu bilden.

Schritt 5: Wählen Sie die Scan-Flugbahnlinie aus und verwenden Sie das Rohrleitungsscannen, um einen konformen Kühlkanal zu bilden.

Basierend auf dieser Grundidee kann eine Reihe komplexer Algorithmen entwickelt werden, um die automatische Generierung konformer Kühlkanäle zu realisieren. Der gesamte Generierungsprozess des Systems ist in Abbildung 4 dargestellt.

Beim Entwurf eines bestimmten Algorithmus müssen die folgenden Aspekte berücksichtigt werden:

1. Auswahl der Flugbahnlinie

Da der Kühlkanal durch Pipeline-Scannen erzeugt wird, muss die Flugbahnlinie insgesamt glatt sein. Wenn die Methode zum Hinzufügen gerader Liniensegmente zu Kreisbögen angewendet wird, erhöht sich zwangsläufig die Komplexität des Algorithmus.

Spline-Kurven sind glatte Kurven, die durch eine Reihe von Kontrollpunkten verlaufen, und die Form der Kurve kann durch diese Punkte gesteuert werden.

Die Verwendung von Spline-Kurven als Scan-Trajektorienlinien kann nicht nur die Komplexität des Algorithmus reduzieren und die Bedienung vereinfachen, sondern auch den 3D-Druck erleichtern, da die gemäß den Spline-Kurven gescannten Rohre keine scharfen Übergänge aufweisen.

2. Erfassung von Passpunkten

Bei einem vorgegebenen Rohrdurchmesser ist die Berechnung aller Kontrollpunkte erforderlich, die die Anforderungen für die nachfolgenden Anschlussarbeiten erfüllen.

Bei der Erfassung der Kontrollpunkte muss das Prinzip der Nichtbeeinflussung beachtet werden, d. h. der anhand der Kontrollpunkte erzeugte Kreis darf nicht mit der Konturlinie in Konflikt geraten, ganz zu schweigen vom vorhandenen Kreis.

3. Verbindungsvorgang

Unter der Voraussetzung, dass die Kontrollpunkte jeder Schicht berechnet wurden, ist angesichts der spezifischen Situation unterschiedlicher Anzahlen von Kontrollpunkten in jeder Schicht die Art der Verbindungsstrategie, die vom Spline-Kurvenbefehl zum Verbinden dieser Kontrollpunkte verwendet wird, der Schlüssel zum Erfolg oder Misserfolg der Kühlkanalgenerierung.

Darunter sind das Erfassen der Kontrollpunkte auf jeder Ebene und die Auswahl der Verbindungsstrategie die Kernbestandteile des gesamten Algorithmus, die im Folgenden ausführlich erläutert werden.

Wichtige Algorithmen

1. Algorithmus zum Erfassen von Kontrollpunkten von Spline-Kurven

Die herkömmliche Methode zum Erfassen von Kontrollpunkten von Spline-Kurven erfordert eine Reihe von Vorgängen wie häufiges Skizzieren und Abstandsmessen.

Der Vorgang ist zeitaufwändig und umständlich. Um die Kontrollpunkte, die die Anforderungen erfüllen, schnell zu erkennen, wird eine automatische Erfassungsmethode vorgeschlagen. Das Prinzip ist in Abbildung 5 dargestellt.

Schritt 1: Zeichnen Sie zwei Grenzlinien auf die Schnittebene. Diese beiden Grenzlinien sollten außerhalb der Konturlinie liegen.

Schritt 2: Versetzen Sie die erzeugten Begrenzungslinien jeweils, um eine Reihe versetzter Linien zu erhalten.

Schritt 3: Zeichnen Sie einen Kreis mit dem Schnittpunkt der versetzten Linien als Mittelpunkt und dem angegebenen Wert als Radius:

(1) Bestimmen Sie, ob der Kreis die Konturlinie schneidet.

(2) Bestimmen Sie, ob der aktuelle Kreis den vorhandenen Kreis schneidet.

Schritt 4: Zeichnen Sie einen Strahl mit dem aktuellen Kreismittelpunkt als Endpunkt und bestimmen Sie den Schnittpunkt mit der Konturlinie mithilfe der Strahlerkennungsmethode.

Schritt 5: Bestimmen Sie, ob die Kugel mit dem Kreismittelpunkt außerhalb des Objekts liegt.

Der spezifische Algorithmusablauf ist in Abbildung 6 dargestellt. Je nach tatsächlicher Situation des Formendesigns sollten bei der Programmierung fünf Punkte beachtet werden:

(1) Um die Genauigkeit des Ergebnisses sicherzustellen, sollten die beiden Begrenzungslinien jeder Schnittebene außerhalb der maximalen Konturlinie liegen.

(2) Der Offsetwert (D) der Grenzlinie sollte sinnvoll gewählt werden. Ist der Wert zu groß, ist das Ergebnis ungenau; ist der Wert zu klein, erhöht sich die Algorithmuszeit.

(3) Der als Kreismittelpunkt verwendete Schnittpunkt sollte in der Reihenfolge der Schnittpunkte der beiden Sätze versetzter Linien ausgewählt werden, um die Genauigkeit des Ergebnisses sicherzustellen.

(4) Bei der Überprüfung auf Kreuzungsstörungen beträgt der Radius des Kreises R = r + d, wie in Abbildung 5 dargestellt, wobei r der Durchmesser des konformen Wasserwegs und d der Sicherheitsabstand ist.

(5) Das Prinzip der Strahlenerkennungsmethode zur Bestimmung, ob ein bekannter Kreis innerhalb der Konturlinie liegt, ist in Abbildung 5 dargestellt. Das heißt, mit dem Mittelpunkt des Kreises (P0) als Endpunkt wird die Strahlenerkennung jeweils entlang der +X-Richtung, -X-Richtung, +Y-Richtung und -Y-Richtung durchgeführt. Wenn alle vier Strahlen die Konturlinie schneiden, liegt der Kreis innerhalb der Konturlinie, andernfalls liegt er nicht innerhalb der Konturlinie.

(6) Die nach der Prüfung auf Kurveninterferenzen ermittelten Kontrollpunkte müssen weiter überprüft werden, um festzustellen, ob sie innerhalb des eingefügten Elements liegen.

Indem wir eine Kugel mit einem Radius von 0.5 mm und dem Kontrollpunkt als Mittelpunkt erzeugen, können wir bestimmen, ob der Punkt ein geeigneter Kontrollpunkt ist, indem wir beurteilen, ob die Kugel und der Körper summiert werden können.

2. Automatischer Verbindungsalgorithmus für die Kühlwasserpfadbahn

Nachdem die Kontrollpunkte in allen Schnittebenen ermittelt wurden, besteht der nächste Schritt darin, diese Kontrollpunkte mithilfe von Spline-Kurven der Reihe nach zu verbinden und so eine Scantrajektorie zu bilden.

Um einen guten Kühleffekt zu erzielen, besteht die angewandte Verbindungsstrategie darin, zuerst die Mindestanzahl von Punkten in allen Schichtebenen zu finden, mit der Schicht mit der Mindestanzahl von Punkten zu beginnen, nacheinander die nächstgelegenen Kontrollpunkte in den benachbarten Schichtebenen zu finden und diese Kontrollpunkte schließlich zu verbinden.

Die gesamte Flugbahnlinie faltet sich und verläuft entlang der Kernhöhenrichtung. Die Grundidee ist in den Abbildungen 7 bis 9 dargestellt.

Schritt 1: IchSuchen Sie in der Schnittebene mit der minimalen Anzahl von Kontrollpunkten den Kontrollpunkt, der am weitesten von der Hilfsmittellinie entfernt ist, als Basispunkt P0, wie in Abbildung 7a dargestellt.

Schritt 2: Suchen Sie in den angrenzenden Schichten nach dem Prinzip der kürzesten Entfernung, wie in Abbildung 7b dargestellt, nacheinander den Kontrollpunkt P1, der dem vorherigen Basispunkt P0 in der angrenzenden Schicht am nächsten liegt, und verwenden Sie ihn erneut als Basispunkt P0

Schritt 3: Bestimmen Sie, ob die Anzahl der verbleibenden Punkte in der Minimalpunktebene >1 ist:

(1) Wenn ≤1, wie in der linken Abbildung von Abbildung 8 dargestellt, fahren Sie mit Schritt 4 fort.

(2) Wenn >1, wie in der linken Abbildung von Abbildung 9 dargestellt, fahren Sie mit Schritt 2 fort und suchen Sie weiter nach Passpunkten.

Schritt 4: Verwenden Sie Spline-Kurven, um nacheinander alle Kontrollpunkte auszuwählen und so die Bahnlinien des Kühlwasserkanals zu erzeugen.

Schritt 5: Scannen Sie entlang der Flugbahnlinie mit dem angegebenen Abschnitt, um einen konformen Wasserkanal zu erzeugen, wie in der rechten Abbildung von Abbildung 8 und der rechten Abbildung von Abbildung 9 gezeigt.

Es ist darauf hinzuweisen, dass:

(1) Die Position der Hilfsmittellinie bestimmt, ob der gesamte konforme Wasserweg nahe an der Formoberfläche liegt. Entsprechend dem tatsächlichen Formwasserweg kann er in der Mitte der Formkernkoordinaten eingestellt werden.

(2) Wenn die Trajektorie im obersten oder ersten Stockwerk eine Biegung und Richtungsänderung aufweisen muss, wird der entsprechende nächste Kontrollbasispunkt P0 im selben Stockwerk nach dem Prinzip der kürzesten Entfernung ausgewählt, wie in Abbildung 10 dargestellt, um Interferenzen zwischen den Rohren zu vermeiden und ein möglichst einheitliches Layout zu erreichen. Der detaillierte Algorithmusablauf ist in Abbildung 11 dargestellt.

Systemschnittstellendesign

UG NX ist eine von Siemens, Deutschland, entwickelte Software für den Formenbau mit leistungsstarken 3D-Modellierungs-, Simulations- und Analysefunktionen. Sie kann Herstellern dabei helfen, schnell hochwertige und effiziente Formen zu entwerfen und Produktionsprozesse zu optimieren.

Basierend auf der NX OPEN API-Schnittstelle wird das Modul zur automatischen Generierung konformer Wasserwege in der Programmiersprache Python entwickelt und die Systemschnittstelle mit dem Stileditor BLOCK UI Styler, dem sekundären NX-Entwicklungstool, entworfen, wie in der linken Abbildung von Abbildung 12 dargestellt.

Die Systembetriebsschnittstelle ist in der rechten Abbildung von Abbildung 12 dargestellt.

Auf der Bedienoberfläche bezieht sich „Einsatz auswählen“ auf die Auswahl des zu kühlenden Formeinsatzes;

Mit „Kühlschnittstelle“ ist die Schnittstelle zwischen der Einsatzbasis und der Formoberfläche gemeint;

Bei der Auswahl des „unteren linken Eckpunkts“ und des „unteren rechten Eckpunkts“ muss sichergestellt werden, dass der von ihnen gebildete rechteckige Bereich die Projektion der Formoberfläche auf die Kühlschnittstelle abdecken kann.

„Wasserzulauf“ und „Wasserablauf“ befinden sich auf der Unterseite des Einsatzes und müssen manuell angegeben werden;

„Wasserkanaldurchmesser“ bezieht sich auf den Durchmesser des Kühlkanals;

Mit „Sicherheitsabstand“ ist der Mindestabstand zwischen dem Wasserkanal und anderen Komponenten innerhalb der Form gemeint.

Der Benutzer wählt nacheinander jeden Parameter aus und klickt auf „OK“. Anschließend kann das System automatisch einen konformen Wasserkanal generieren.

Anwendungsbeispiele

Elektronische Zigaretten sind aufstrebende Verbraucherelektronikprodukte. Der Markt hat eine große Nachfrage nach elektronischen Zigarettenhülsen und stellt strenge Anforderungen an die Qualitätskontrolle.

Herkömmliche gerade Wasserkanäle können bei E-Zigaretten-Formen keine gute Kühlwirkung erzielen. In realen Projekten müssen Designer oft konforme Wasserkanäle innerhalb der Form entwerfen, um die Formqualität von Kunststoffteilen sicherzustellen.

Basierend auf allen vorgeschlagenen Algorithmen wurde auf der NX10.0-Plattform ein automatisches Designsystem für konforme Wasserwege entwickelt, um das Design konformer Wasserwege von Formen für elektronische Zigaretten zu überprüfen.

Die Grundgröße des Formteils von Beispiel 1 beträgt etwa 10 mm × 20 mm × 34 mm, in der Mitte des Formteils befindet sich ein unregelmäßiges Sackloch, die Tiefe beträgt etwa 24 mm und die Basisgröße beträgt etwa 14 mm × 23 mm × 35 mm.

Der maximale Außendurchmesser des Formteils von Beispiel 2 beträgt etwa 30 mm, der minimale etwa 15 mm, die Höhe beträgt etwa 67 mm, die Tiefe des konkaven Lochs in der Mitte des Formteils beträgt etwa 6 mm und die Basisgröße beträgt etwa 40 mm × 45 mm × 106 mm.

Gemäß der herkömmlichen Entwurfsmethode müssen Konstrukteure häufig Kurvenbearbeitungsbefehle wie das Zeichnen von Linien, Rundungen und Trimmen verwenden, um konturgetreue Kühlkanäle in einem kleinen Formraum manuell zu entwerfen, und müssen außerdem in Echtzeit auf Interferenzprobleme achten, was zeitaufwändig und mühsam ist.

Wenn das vom Autor entwickelte automatisierte Programm verwendet wird, wie in den Abbildungen 13 und 14 gezeigt, kann der konturnahe Kühlkanal der Form durch einfache Eingabe der erforderlichen Parameter schnell erzeugt werden. Die Auswirkungen der beiden Methoden werden in den Tabellen 2 und 3 verglichen.

Fazit

Mit der intensiven Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Bereich der Formenbau, das Design von konturnahen Kühlkanälen hat in der Praxis des Formenbaus immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Nach den bestehenden traditionellen Designmethoden ist der Designprozess von konturnahen Kühlkanälen innerhalb von Formen sehr zeitaufwändig und mühsam.

Um das bestehende Problem der schnellen Gestaltung konformer Wasserwege zu lösen, wurde eine Methode zur automatischen Generierung konformer Wasserwege vorgeschlagen, die von der inneren Kanalstruktur der Lotuswurzel inspiriert ist.

Zur Implementierung aller vorgeschlagenen Algorithmen wurde ein spezielles Designsystem auf Basis von NX als Anwendungsplattform entwickelt.

Diese Methode wurde durch echte Ingenieurfälle bestätigt und kann die Entwurfszeit erheblich verkürzen, die Entwurfseffizienz von konformen Wasserstraßen verbessern und hat einen gewissen technischen Anwendungswert.