复杂的曲面反向设计、模具和注射技术的优化

摘要：以海豚型按摩器的上壳制品为例，引入逆向设计技术，通过三维扫描仪获得已有样品的点云数据，利用Imageware和Geomagic软件对点云进行处理并重构曲面，并在此基础上进行必要的创新再设计，得到所需要产品的三维设计图。将逆向设计模型导入模流分析软件Moldflow/MPI中并设计出浇注系统和冷却系统，通过注射数值模拟，对关键注射工艺参数进行正交试验优化，根据制品的翘曲变形量选取一组最优的工艺参数，最终设计出一副相应的模具。结果验证，利用此方法可以大大节省模具的研发时间，降低复杂曲面制品的翘曲变形量，显著提升产品质量。

市场全球化的进展越来越快，企业之间的竞争也日趋激烈，以模具设计与制造为代表的传统制造业更是受到了前所未有的挑战[1]，如何更快、更好地发展技术及利用已有技术成为摆在各个企业面前的重大课题。事实上，合理利用已有的先进技术，并通过消化吸收和再创新，可以大幅提高产品的生产效率和完善产品质量。逆向工程就是最有效的途径之一[2]。

逆向工程是对现有的实物模型进行三维测量，根据测量数据曲面重构出CAD模型，再通过重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或再创新，以便进行后续模具设计。尤其对于含有复杂曲面的产品，逆向技术能够降低产品设计的难度，减少设计时间，进而减少企业设计人员成本，降低各个环节的费用，提高企业的生产效率[3–5]。

当然，注射工艺对模具设计制造和最终的产品质量起着决定性的作用，特别是复杂曲面的产品，对工艺参数的选择更为苛刻。近来，CAE技术的发展也日趋成熟，它可以提供更为合理和准确的数值模拟结果，再配合科学的实验分析方法，就可以得到一组较为理想的注塑工艺参数，经优化后，就可用于实际的生产过程[6]。

1逆向数据采集

1.1点云扫描

图1制品为一款海豚型按摩器的上壳部分，尺寸为385mm×100mm×120mm，曲面较为复杂，注塑时易产生翘曲变形、开裂和熔接痕等缺陷。

采用ATOS三维扫描仪对制品的复杂曲面进行点云采集。该扫描仪的测速最高可达500000点/s，精度范围为0.005～0.01mm，性能优良。为了更加完整和精确地获取其三维点云数据，分别从右上、右下、左上和左下四个角度对制品进行光栅式扫描。描仪都具备自动定位的功能，但总是有一定的错位或误差，还需要使用Geomagic软件的拼接功能进行人工精确拟合处理。

目前采用的主要方法是三点定位法，其原理是在扫描点云时，相邻两片之间要有一定面积的重合部分，后期拼接定位时，找到重合部分的三个点，当这三个点分别重合时，两片点云也就正确定位了。当然，为了定位更加精确，重合点的选取要遵循以下几个原则：

(1)重合点至少三个，可多于三个;

(2)重合点不能在一条直线上，也尽量不在一个平面上;

(3)重合点的间距尽量大。

扫描过程中，不可避免会出现一定数量的噪点和杂点，这些会对后续的曲面重构造成很大影响，因此可使用Imageware软件去除这些坏点。之后在不影响曲面精度的前提下，为了减少计算量，需要对点云数据进行精简处理。

2逆向三维建模

2.1曲面拟合

实际应用中，常见的曲面拟合方法主要有插值法、B样条法、NURBS法、Coons法、Bezier曲面法以及BP神经网络法等，不同的曲面根据其自身特征选取不同的拟合方法。

使用Imageware软件进行曲面拟合前，首先要对不同特征的点云剥离，分别选择合适的方法拟合重构，再将多个拟合好的曲面片进行合并，最终得到完成的曲面。

1.2点云预处理

为了获得完整三维数据，在扫描过程中，制件是要被移动或翻转的，这样采集的点云数据输入逆向软件中就会出现坐标不统一的现象，需要注意的是，曲面拟合会存在一定的误差，如果误差过大，或曲面边界产生畸变，可通过调整拟合方法、改变UV阶次、控制点微调等方法提高精度。

2.2三维建模

制件上存在的一些特殊特征，比如半球、圆柱、孔等，逆向软件处理起来反而会增加工作量，使用UGNX等三维造型软件会更加快捷方便。除此之外，像曲面之间的缝合、过度、裁剪等编辑操作亦使用此软件进行处理[7]。

曲面处理完成之后，可以根据实际需要对某些特征和部分曲面进行优化设计，再通过抽壳等命令得到此制件的实体三维模型。

3数值模拟及正交实验

3.1传统工艺数值模拟

根据制品的使用性能和经济性能要求，选取材料为丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料/尼龙复合材料，其既有良好的耐磨性和强度，又具备不错的韧性。注塑中，建议熔体温度在230～290℃，模具温度范围在40～80℃，其它注射参数如锁模力、注射压力、保压压力、保压时间、冷却时间等要根据实际注射要求去选取合适的数值，在保证注射质量和完整度的

3.2正交实验设置

注射工艺参数有很多，对于不同结构特征的制品，其影响大小也不尽相同，为了减少CAE分析中的巨大运算量。

3.3实验分析

因素及水平参数按L(45)正交表进行实验，通过数值模拟得到每一组的最大翘曲变形量，尽量降低翘曲变形量[8]。根据该制件的尺寸特征，采用一模两腔点浇口进胶的方式注射。首先对制件进行3D网格划分，网格尺寸为2.13mm;其次添加合适的浇注系统和布置相应的冷却水道。

按照传统工艺参数设置如下：熔体温度250℃，模具温度60℃，注射时间1.3s，冷却时间20s，其它参数选择默认，经CAE数值模拟计算，可知最大翘曲变形量为2.659mm。

第12组的制品最大翘曲变形量最小，为2.123mm，其翘曲变形云图见图8。与比传统工艺参数的最大翘曲变形量相比，减少了20.15%，可以大大改善制品的最终质量。

4模具设计

4.1模具三维设计

根据制品的特征结构，模具设计为一模两腔，其型腔和型芯如图9所示。由于制品的最大轮廓处为曲线，因此分型面是一个不规则的曲面，之后再根据CAE软件的分析建议设计流道、冷却水道和其它零部件[9]，最终设计出一副完整的模具。

4.1模具结构设计

根据此制件具有复杂曲面的特点。

(1)冷却系统设计。

注塑中，合适的选择冷却回路，能够一定程度上减少冷却时间，提高生产效率，也可使传热更加均匀，减少翘曲变形，提高制品质量。根据CAE软件的分析，此冷却水管直径为8mm，水管与制件的间距为25mm，管道为8根，冷却水进口温度设置为25℃。

(2)浇注系统设计。

由于该制件尺寸较大，曲面较为复杂，为了保证熔料顺利流动且不出现熔接痕，缩短注射时间，模具使用热流道并采用点浇口注射。

(3)顶出系统设计。

为了不影响制品的外观质量，确保顶出顺利并使制品推出时不开裂和变形，设计4根推杆，分布在内表面的加强筋处。

(4)模具工作过程。

在导向机构的作用下，动模座板6向定模座板1慢慢移动进行合模，熔料在注塑机作用下经浇口套18并通过主流道和分流道注入模具型腔13内。在经过一定时间的充填、保压和冷却过程，使塑件成复杂曲面逆向设计及模具和注射工艺优化型。之后在注塑机的动力下，使动模座板6离开定模座板1，制件包裹在型芯11上，接着推件板推动推杆10推出制件，至此，一个完整注塑流程结束。

5结论

(1)使用逆向工程技术对复杂曲面产品进行三维造型设计，大大降低了设计难度，缩短了设计时间，提高了复杂曲面精度和质量。

(2)引入正交实验来获取最优的注射工艺参数，CAE数值模拟结果显示，采用此方法计算出的最大翘曲变形量比传统工艺值降低20.15%，明显改善了产品质量。

(3)利用CAE软件的数值模拟分析建议，并结合制品的结构特征，设计选取合适的零件，最终完成一幅模具总装图的设计，便于后续的加工制造和产品的批量生产。

参考文献

[1]CuiKaibo，YouXuemin，HuangXinxin，etal.Researchoncomponentpreparationtechnologybasedonlaserscanningmodellingandadditivemanufacturing[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries，2021(2)：180–182.

[2]姚明镜，唐璇，张春良，等.基于逆向工程和FDM技术的塑料产品设计与应用[J].塑料科技，2020，48(12):45–48.

[3]ChenGuoping，JiangChun.Reversedesignofmicroringresonator channeldroppingfilters[J].ResultsinPhysics，2020.doi:10.1016/j.rinp.2020.103380.

[4]舒海涛，刘治华，梁帅，等.基于灰色关联分析法的COC芯片翘曲变形注塑工艺优化[J].工程塑料应用，2020，48(10):65–70.

[5]Fan-JiangJC，SuCW，LiouGY，etal.Studyofanonlinemonitoringadaptivesystemforaninjectionmoldingprocessbasedonanozzlepressurecurve[J].Polymers，2021.doi:10.3390/polym13040555.

[6]刘锋，庞建军，陈宇轩，等.基于Taguchi与BPNN–PSO的薄壁注塑件翘曲变形优化[J].工程塑料应用，2021，49(2):74–79.