德国PROTIQ如何实现模具减重75%？

模具制造行业显著的特点是成本高、客户化且单件生产。最近，由于来自亚洲国家日益激烈的竞争，欧洲和美国的制造商承受着越来越大的价格压力。

这些竞争对手日益主导市场，至少在标准工具方面是这样。因此，欧洲和美国的模具行业已经转向创新和高质量的解决方案，为其客户提供具有更高生产率和更低成本的解决方案。

提高生产率最重要的参数之一是缩短生产制造周期，这一目标可以结合随形加热得以优化。除了可以缩短生产制造周期外，这一优化手段还可以减小热变形从而提高产品质量。生产周期越短，在同一时期内可以生产的部件就越多，从而显著提高了设备的整体生产率和经济可行性。

Altair HyperWorks™拓扑优化结果

只在需要达到刚度和强度的地方添加材料

冷却通道可以在增材制造的同时加入

为了设计出更具创新行的模具，该行业越来越依赖3D打印(也叫增材制造, AM)等新的制造方法。有限的零件数量这一增材制造行业常见的局限，并不是单件生产的主要限制。

此外，3D打印的设计自由度几乎是无限的。当利用模拟和数值优化技术来考虑注塑模具设计结构、热和制造方面的综合影响时，高效的模具可以在短时间内生产出来。

Phoenix Contact在2009年开始评估这些方法，最初使用的是聚合物喷射打印机，后来采用了激光烧结(塑料)和激光熔化(金属)解决方案。该公司的快速解决方案业务部门，交付了快速模具制造解决方案和原型。得益于增材制造技术和较短的机器准备时间，直接来自CAD系统的产品创意通常可以在第二天实现，并立即交付给客户。

这种方法非常成功，为了满足这一解决方案的强烈需求，公司购买了更多的新设备。2016年底，业务部门Rapid Solutions被分拆为Phoenix Contact旗下的一家独立企业，名为PROTIQ GmbH。

PROTIQ很快意识到对不同材料制作的模具的大量需求，并决定在全球范围内提供这一解决方案。通过PROTIQ平台，客户只需上传他们的数字3D数据，在线计算价格，就能在第一时间获得最终的组件产品。

然而，公司提供的不仅仅是3D打印零件的生产。为了充分利用增材制造技术的优势，PROTIQ还利用拓扑优化和仿真工具来设计模具。

根据负载情况和其他边界条件（如所需的内部通道），工程师能够在生产之前确定组件的最佳拓扑结构，这种方法确保产品只在需要的位置分布材料。最终的设计方案比原来的更轻、生产成本更低和改进的注塑模具操作性。

随形加热减少热变形

产品质量提高的同时也缩短了开发周期

为了实现第一个项目，PROTIQ求助于Altair的咨询业务部门ProductDesign。Altair产品设计团队在整个仿真过程中支持PROTIQ，并为第一个原型的开发做出了贡献。

首先，PROTIQ将可用设计空间的几何模型交给了Altair ProductDesign部门。之后，模具负载和边界条件是在两家公司的团队之间的密切协商中定义的。根据这些要求，Altair的工程师在Altair HyperMesh™中创建了优化模型，Altair HyperMesh是Altair HyperWorks套件集成的前处理工具。

然后，使用Altair的拓扑优化工具和有限元结构求解器Altair OptiStruct完成仿真计算。基于优化结果并为后续3D打印将要使用的模型由使用Altair Inspire Studio完成设计的。

为了验证优化的结果，工程师再次使用OptiStruct对优化后的结构进行了有限元结构分析。与此同时，Altair ProductDesign部门还使用HyperWorks套件中CFD仿真工具AltairAcuSolve™对注塑模具进行了传热模拟。通过这样做，他们能够确定产品的冷却性能以及所需的循环时间。

优化后重构的用于3D打印的模型

优化前（上图）优化后（下图）温度结果

这个项目的成果是完成了一个比几年前用传统方法设计的轻75%注射模具。随形加热分析被集成到3D打印过程中，这样大大减少了循环时间。

由于工程师们能够集成3D打印过程中已经存在的功能，注塑模具的制造前置时间也减少了25%。这进一步减少了最终手工组装工具的时间。由于更短的制造周期，注塑模具的生产成本也显著降低。

基于这些项目成果，PROTIQ将通过平台长期使用Altair HyperWorks 为客户提供所需要的服务。