輪胎制造商正在探索3D打印是如何影響輪胎的設計、可持續性、安全性和用戶體驗的;通常的方法是制造用于生產輪胎胎面的金屬模具。
輪胎在保持車輛安全和燃油效率方面起著至關重要的作用。輪胎需要適應各種天氣條件，從泥路到光滑的、剛鋪過柏油高速公路，來保證能夠實現車輛安全的制動性和操縱性。
因此，工程師在設計輪胎時必須考慮多個因素：從空氣和水的流動、阻力和摩擦到輪胎的曲線、傾角以及雪雨風和溫度的影響，同時還必須確保高性價比和產品質量。
正因如此，我們開始嘗試如何通過仿真和變形補償的手段來優化金屬模具生產所使用的金屬增材制造工藝，從而改善輪胎胎面金屬模具的生產。
胎面是輪胎整體性能的關鍵。胎面上的深溝槽可以保持輪胎的牽引力，它提供了一條將水、雪或泥漿從輪胎下方排出通道，從而保持輪胎牽引力，其他較小的縫隙被稱為花紋塊之間的細小溝槽，在冬季用的輪胎中這種細小溝槽特別多。復雜的深溝槽和細小溝槽可提供抓地力并實現平穩的操縱，但同時也使輪胎胎面難以制造。
制造胎面的主要困難之一是將線性胎面和溝槽花紋模制到輪胎的曲率。通常，制造商使用銑床為基本胎面花紋制造金屬模具，然后使用激光雕刻機添加細小溝槽花紋并實現復雜且不均勻的3D形狀。但是，由于溝槽花紋會卡在用于制造模具鑄件的橡膠樹脂內部，因此最終的產品中經常會出現缺陷。
通過使用增材制造技術來創建胎面的金屬模具，輪胎制造商無需使用橡膠樹脂來制造鑄件，從而減少了有缺陷胎面的數量。還消除了通過銑削和激光雕刻制造模具所帶來的固有設計限制，從而可以自由設計新的胎面花紋。
要能夠準確地打印復雜的3D金屬模具，需要知曉如何處理熱應力和熱變形對打印的影響，這是金屬增材制造過程中最大的缺陷來源。
因為粉床熔融（PBF）的金屬3D打印工藝的原理是使用激光束熔化金屬粉末，然后將熔融的金屬逐層累積以形成零件。
加熱過程使金屬粉末經過固-液-固的相變，這些重復作用的熱流和冷卻過程導致了熱應力和變形問題。
因此，制造商需要知道熱應力和變形對模具最終成形的影響。但是傳統依靠物理試驗的方式檢查并優化熱影響問題，既費時又昂貴。幸運的是，現在可以借助CAE軟件，在模具實際打印之前對其進行增材制造過程仿真。
借助CAE軟件，我們可以模擬和預測3D打印工藝鏈中產生的變形和殘余應力，工藝包括增材過程、熱處理、線切割和熱等靜壓（HIP）。然后可以根據仿真結果來調整工藝過程和設計參數，使制造商能夠“一次就打印成功”。
因此，我們開始決定使用仿真分析軟件所能夠實現的變形補償方法，來修正用于3D打印的復雜胎面設模具，同時減少了使用傳統方法生產的有缺陷胎面輪胎的數量。
考慮到熱變形在金屬增材制造過程中的重要性，我們使用Hexagon的Simufact Additive軟件對輪胎模具的變形問題進行反變形補償分析，對3D金屬打印的粉床熔融（PBF）方法進行了研究、檢查和優化。
后續還分析了3D打印仿真輸出的應力和變形，并進行了強度和疲勞的仿真分析。
我們開始先制定了一種借助3D打印工藝仿真預測輪胎模具變形的方法。
首先，在對要打印的尺寸的輪胎模具進行建模之后，輸入相關的
3
D打印參數和材料。
接下來，我們在合適的金屬3D打印設備參數下進行了試樣塊的打印，并測量出試樣塊的特定變形量，并將其應用于仿真分析。然后，通過輸入最佳工藝參數進行仿真的對標。最后，使用對標好的參數進行了模具的打印仿真，并得到模具熱變形的程度。
我們使用宏觀力學算法來提高速度，并通過對標特定的變形量（也稱為固有應變）來確保精度。
試樣塊的變形量與金屬粉末的特性、激光速度、光斑尺寸、掃描策略和設備所處的環境相關。因此，我們需要根據設備實際使用時的固化狀態進行校準計算。
校核是一種依據實際物理測試獲得的變形量，通過仿真不斷自動修改應變量來獲得與實際一致的仿真變形量的方法。在對部分切割后的懸臂梁試樣的變形量進行測量并將變形結果輸入軟件后，軟件會計算出與實際變形量相對應的固有應變值。
校核
說明：
在每個主方向（0°，90°）上打印懸臂梁試樣塊，切割試樣并測量變形量，然后將變形量輸入到Simufact增材制造仿真軟件中，計算出與實際變形量相對應的固有應變值。
圖 1. 切割試樣并測得變形量（Source_Metal3D）
實際變形量如圖1所示。
圖1包括了實際打印工藝的許多組變量參數，從而有效指導增材過程的模擬。
通過切割試樣塊測量變形量，我們確定了試樣置于0°時的變形量為2.14 mm，置于90°時為2.12 mm。
我們使用了有限元（FEM）方法預測了輪胎模具的變形和殘余應力，并將Hexagon的Simufact Additive軟件作為我們的有限元分析軟件之一。
該軟件使用體素網格方法進行網格劃分，從而確保即使最復雜的形狀也可以在短時間內可靠地進行網格劃分，而無需大量的網格劃分方面的知識和經驗。
使用此FEM網格，我們生成了與實際輪胎相符的輪胎模具網格模型，并獲得了準確的評估結果。
根據3D打印過程的特性可知，激光打印的零件模型會受到非常大的熱變化。
因此，后續使用了更詳細的網格（實體網格）（圖2）。
圖 2. 應用于輪胎模具的FEM模型 (Source_Metal3D)
我們的仿真基于SUS 316L。
在基于校核變形量的力學仿真中，不需要熱和溫度相關的材料特性。
校核過程已經將所有熱效都考慮在內。
相反，如果用戶選擇采用熱仿真或者熱力耦合仿真方法，那么需要考慮特定熱量水平、傳熱系數、熱膨脹系數、密度和力學性能特性的影響，以及溫度變化對實際物理環境的依賴性。
表1和表2中展示了用于3D打印制造的輪胎模具材料，在22℃室溫下的物理參數。3D打印后使用的冷卻方法是自由冷卻。熱力耦合的校準將使用與實際3D打印過程相同的條件參數進行校核仿真。
表. 1 SUS 316L 化學成分表 (以質量分數表示) (來源:Oerlikon)
表. 2 SUS 316L 物理-化學熱性 (來源:Oerlikon)
支撐結構在3D打印中起著非常重要的作用，支撐可以用于傳遞熱量并對零件進行部分的約束以防止不必要的變形。
粉床熔融（PBF）工藝的打印準備工作包括生成支撐結構，在打印結束從基板上切割下零件后，還要將支撐移除。
但是，根據幾何情況，切掉支撐件會因應力釋放而導致其他變形。因此，不僅要使用仿真來分析預測打印后的變形和應力，而且還要對線切割和支撐移除步驟進行仿真分析。
在金屬3D打印過程中，較高的熱源（激光）通常會導致金屬的膨脹和收縮而引發嚴重變形，與原始CAD數據相比，偏差超出了可接受的范圍。
為了解決此問題，工程師可以選擇的途徑有很多，例如優化零件在增材制
造過程中的擺放方向以及優化支撐結構。
但是，更有效的替代方法是對變形的模型進行虛擬的反變形計算
，以實現變形補償。
變形補償是一種根據仿真預測的變形量為基礎，通過修改初始模型的設計，在變形相反的方向上對零件進行預變形的方法。
Sim
ufact Additive可以生成反變形修改后的CAD模型文件，并能夠導出STL或Parasolid等通用數模格式，然后使用反變形后的模型進行打印，來防止在打印實際物理產品時出現變形。
在去除支撐結構之后，對輪胎模具的熱變形進行了評估。
圖3顯示了3D打印前后，輪胎模具熱變形分析
的對比結果。
我們對輪胎模具的3D打印仿真結果進行了變形分析，并確認了模具在Z方向的兩端都發生了變形。
最大變形出現在+Z方向，為1.1
mm，最小變形在–Z方向，為0.7 mm。
仿真結果（1.1毫米）與實際結果（1.5毫米）相比，
相差約0.4毫米，但能夠確認的是仿真得到變形與實際變形位置及趨勢相同（圖3）。
圖. 3 輪胎模具熱變形分析結果（Source_Metal3D）
打印完成后首先要檢查的是后處理完成后最終3D打印產品的尺寸和形狀是否準確反映了STL文件的原始設計數據。
我們使用3D掃描儀對打印的輪胎模具進行了檢查驗證，并得到模具在Z軸方向上產生約1.5毫米的變形（圖3）。
在熱變形分析時所使用的變形補償方法，其目的是提高輪胎模具的精度。
我們生成了輪胎模具變形補償后的STL文件，繼續使用與真實3D打印工藝相同的條件，并對支撐進行了重新定位，然后對其進行了仿真分析，對使用3D打印變形補償的模型所得到的熱變形結果進行了研究。
如圖3所示，可以確定，使用與目標模具幾何相比，使用變形補償后的模型進行打印，熱變形降低到0.04 mm。
過使用變形補償設計，能夠顯著減少變形，這也證明了變形補償功能的重要性。
如圖3所示，通過使用變形補償方法，并對實際打印輪胎模具進行掃描，實測結果最大變形僅為0.03mm。
這意味著達到了要求的公差精度（這是比較好的結果）。
未來輪胎制造工藝的革新將取決于能夠制造出復雜且精確的集成輪胎模具。
通過借助本次研究所提出的補償方法，我們相信增材制造技術生產模具有利于優化輪胎胎面設計，并借由減少輪胎生產時產生的次品。
本文作者：
Seung Ho Lee, Research Engineer, Metal 3D, Korea;
chairman of the Korean Additive manufacturing User Group (KAMUG) and Professor at Inha University;
Hyeon Jin Son : Senior Research Engineer, Winforsys.
