嚴(yán)道發(fā)

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　蘇州　215123）

模具制造中3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究

嚴(yán)道發(fā)

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215123）

3D打印技術(shù)興起于20世紀(jì)末，也被稱為增材制造，是快速成型技術(shù)的分支。在近幾年，3D打印走進(jìn)了普通大眾的視線，引起了人們的廣泛關(guān)注，并在多個(gè)領(lǐng)域蔓延。而模具制造是工業(yè)的基礎(chǔ)，模具行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有重要地位，模具行業(yè)的發(fā)展水平可以影射出國(guó)家的制造水平。3D打印技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用程度不斷加深和拓展，在我國(guó)也有強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。文章簡(jiǎn)單分析了3D打印技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)以及在模具行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用實(shí)例闡述打印技術(shù)在模具制作中的具體應(yīng)用，提出3D打印技術(shù)目前存在的技術(shù)局限和未來(lái)的應(yīng)用前景。

模具制造；3D打印技術(shù)；應(yīng)用

一、3D打印技術(shù)工作原理及特點(diǎn)

利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)加工模具，可以不用將模具的結(jié)構(gòu)及形狀的復(fù)雜程度考慮在內(nèi)，特別是曲面加工時(shí)候，3D打印技術(shù)有其特有的優(yōu)勢(shì)。隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，原型材料和性能也不斷完善，能夠與傳統(tǒng)的制造法互相補(bǔ)充，在模具行業(yè)中發(fā)揮的作用和功能將越來(lái)越大。

（一）3D技術(shù)的原理

根據(jù)3D打印技術(shù)目前的發(fā)展程度，常見(jiàn)的3D打印技術(shù)包括了光固化成型（SLA）、三維粉末黏結(jié)（3DP）、熔融沉積快速成型（FDM）等三種。以上技術(shù)種類與以往的噴墨打印機(jī)工作原理較為相似，但使用的材料不同。噴墨打印機(jī)噴出的是墨水，而3D打印機(jī)噴出的是蠟、黏結(jié)劑、樹(shù)脂等材料。

光固化成型（SLA）利用的材料是光源照射熱敏性或者激光性材料，一層一層掃描后照射固化，以此獲得目標(biāo)產(chǎn)品。SLA技術(shù)的研究最為深入，其發(fā)展也最為成熟，比較適合應(yīng)用在精度較高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的元件打印中，如圖1。

圖1　光固化成型原理

三維粉末黏結(jié)原理（如圖2）是先在工作的平面上鋪設(shè)上一層粉末性材料（塑料粉末、金屬粉末、陶瓷粉末等），黏合劑通過(guò)噴嘴噴射到工作面待成型區(qū)，等待成型區(qū)的粉末材料黏結(jié)，就會(huì)形成目標(biāo)產(chǎn)品的截面形狀，最終打印出目標(biāo)產(chǎn)品。

熔融沉積快速沉積，即熔絲沉積（如圖3），是將絲狀性的熱熔材料進(jìn)行熔化處理，噴嘴將熔化后的熱熔材料噴出，沉積在事先固化好的材料上，此步驟循環(huán)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)材料的層層堆積，最終形成目標(biāo)產(chǎn)品。熔絲沉積方法是3D打印技術(shù)中應(yīng)用最多的技術(shù)，其制造成本低，方法簡(jiǎn)單易懂。

（二）3D打印技術(shù)特點(diǎn)

3D打印技術(shù)的應(yīng)用會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)揮更大的作用，成為促進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)的方法之一。該技術(shù)主要有三個(gè)特點(diǎn)，生產(chǎn)周期短，復(fù)雜模型成型快，制造精度高。3D打印技術(shù)可以縮短生產(chǎn)周期，簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，省略了傳統(tǒng)制造業(yè)中的一些加工程序，從設(shè)計(jì)到成品的全過(guò)程都可以在計(jì)算機(jī)中完成，大大提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，3D打印機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)品可以不考慮目標(biāo)產(chǎn)品的復(fù)雜程度，直接對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行制作。該技術(shù)在制作產(chǎn)品曲面中有不可替代的優(yōu)勢(shì)。此外，制造精度較高的產(chǎn)品中，3D技術(shù)制造后的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到更高的精度，包括尺寸、形狀和位置精度等，這也是模具加工行業(yè)沒(méi)有的亮點(diǎn)。

圖3　熔融沉積成型原理

二、3D打印技術(shù)在模具制造中的運(yùn)用

（一）模具制造中3D技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的模具制造是利用CAD軟件進(jìn)行模流分析、軟件修正，及確定進(jìn)料點(diǎn)和分型線等，所設(shè)計(jì)出來(lái)的零部件、元件進(jìn)行組裝調(diào)試，整個(gè)流程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)周期偏長(zhǎng)，并且不能存在任何缺陷，否則會(huì)造成巨大損失。3D打印技術(shù)用逆向工程的思維來(lái)轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)模具的生產(chǎn)加工方式，因其在形狀和結(jié)構(gòu)精度較高的產(chǎn)品中的特有優(yōu)勢(shì)，可以有效解決加工過(guò)程中母模問(wèn)題，減少了傳統(tǒng)模具制造中的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使得產(chǎn)品的更新?lián)Q代時(shí)間更短。模具行業(yè)中的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法也可以與該技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，3D技術(shù)在模具制作中的應(yīng)用會(huì)有更重要的作用。

圖2　三維粉末黏結(jié)原理

通常情況下，3D打印技術(shù)的打印程序可以分為三步。第一步，3D建模。利用3D建模軟件，如UG、Pro/E等將產(chǎn)品三維參數(shù)模型確定下來(lái)，這需要保證模型的尺寸、形狀等精度，模型的質(zhì)量可以決定后期目標(biāo)產(chǎn)品的打印質(zhì)量。第二步，模型分層。打印機(jī)里有自動(dòng)分層軟件，可以將3D模型沿著工作面分層，每一層有產(chǎn)品的二維信息數(shù)據(jù)。通常情況下，分的層數(shù)越多，打印產(chǎn)品的質(zhì)量和精度越高，但其打印的速度也會(huì)相應(yīng)地放慢，進(jìn)而降低了生產(chǎn)效率。第三步，打印。打印機(jī)的讀取程序可以自動(dòng)識(shí)別出分層內(nèi)的二維信息數(shù)據(jù)，將粉末材料等黏合起來(lái)，通過(guò)層層堆積，最后形成目標(biāo)產(chǎn)品。

（二）模具制造中3D技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

3D打印技術(shù)在一副模具異形型芯中的實(shí)際應(yīng)用。圖4中的塑件用以進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。該塑件的腔體深度65毫米，長(zhǎng)短邊分別是30和15毫米，細(xì)長(zhǎng)空心塑件。圖4中（a）（b）分別是塑件正側(cè)面及頂?shù)撞拷Y(jié)構(gòu)。

圖4　塑料結(jié)構(gòu)

采用UG軟件對(duì)圖4中的塑料構(gòu)件的成型設(shè)計(jì)，型芯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5。因?yàn)樗芗始?xì)長(zhǎng)型，所以其型芯也需設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)型。冷卻問(wèn)題是模具制造中的難題，尤其是細(xì)長(zhǎng)型芯的冷卻?；趥鹘y(tǒng)生產(chǎn)方法，在型芯上設(shè)置水道的難度較大，所以必須采取底部冷卻的方法（如圖5），而由于型芯過(guò)于細(xì)長(zhǎng)，其冷卻效果不佳，可能引起塑件變形彎曲，降低生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖5　型芯結(jié)構(gòu)

打印型芯結(jié)構(gòu)。因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)型芯采用底部冷卻方式，所以其冷卻效果不佳。因此，應(yīng)結(jié)合3D打印技術(shù)優(yōu)化該結(jié)構(gòu)和冷卻水道。為了加強(qiáng)細(xì)長(zhǎng)型芯的冷卻效果，在型芯結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了冷卻水道（如圖6），但傳統(tǒng)生產(chǎn)方法不能或無(wú)法加工水道。利用3D技術(shù)的話，可以將異形水道型芯加工成實(shí)際產(chǎn)品。如在圖6中，（a）是用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)加工出來(lái)的產(chǎn)品；（b）是3D打印技術(shù)加工出來(lái)的結(jié)構(gòu)，加工出來(lái)的細(xì)長(zhǎng)型芯具有整體性，細(xì)長(zhǎng)型芯的冷卻問(wèn)題得到有效解決，提高了型芯的冷卻效果。最后對(duì)模具進(jìn)行總裝設(shè)計(jì)。

圖6　打印的型芯結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)制造方法無(wú)法完成細(xì)長(zhǎng)型芯冷卻水道的加工，而3D技術(shù)卻很好解決了這個(gè)問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。同時(shí)，有效提升了模具制造的能力，如在模具冷卻水道設(shè)計(jì)制造，模具的注塑周期大大縮短，還實(shí)現(xiàn)加工材料的零浪費(fèi)的效果。3D打印技術(shù)轉(zhuǎn)換了設(shè)計(jì)的思維，可以根據(jù)元件的受力部位和承重情況進(jìn)行思考，也可以將現(xiàn)有的技術(shù)形態(tài)升級(jí)，因?yàn)槠渖a(chǎn)制造的流程簡(jiǎn)單且期短，通過(guò)集成數(shù)控加工等制造技術(shù)可以提高復(fù)合制造能力。

圖7　總裝圖

三、3D打印技術(shù)受限原因

3D打印的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，可以節(jié)約原料，還可以制造精度更高的產(chǎn)品，簡(jiǎn)化模具生產(chǎn)步驟，減少人力加工等。但其發(fā)展受到一些限制，如模具力學(xué)性不能保證、元件的尺寸受限、打印所需的材料偏少等。

（一）打印模具的力學(xué)性能不能保證

元件的力學(xué)性能可以影響到產(chǎn)品的使用，是元件的重要參數(shù)之一。元件的選材、設(shè)計(jì)和分析制造等都需要參照力學(xué)參數(shù)。傳統(tǒng)方法中的數(shù)控加工方式可以有效保證元件的力學(xué)性能，并且，在此過(guò)程中，會(huì)對(duì)元件進(jìn)行熱處理等工作，耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，力學(xué)性能相對(duì)較好。3D打印技術(shù)中，不能對(duì)元件進(jìn)行熱處理工作，就不能保證元件的硬度韌性和強(qiáng)度，這是3D打印技術(shù)需要攻克的難題之一。

（二）超大型模具的打印難以完成

3D打印機(jī)的規(guī)格從1.2×1.2m擴(kuò)展到1.8×1.8m，成為當(dāng)時(shí)世界最大的3D打印機(jī)。但是，這也不能滿足現(xiàn)實(shí)的需要，如在工業(yè)中會(huì)運(yùn)用到更大的模具，3D打印機(jī)無(wú)法完成，所以解決打印大型模具的技術(shù)難題勢(shì)在必行。

（三）能夠供應(yīng)3D打印的材料的商家少

傳統(tǒng)制造行業(yè)中，所用的模具材料種類繁多，形狀相同的原件可能會(huì)因?yàn)樗幉课坏牟煌褂貌煌牟牧?。目前為止，我?guó)3D打印機(jī)使用的材料都是進(jìn)口的，以色列的Object公司掌握了14種材料和107種混材，是目前掌握打印材料最多的公司，并且部分材料并不能運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。3D打印零件可能會(huì)因?yàn)椴牧系倪x擇有限提高生產(chǎn)成本。由于3D打印機(jī)是自帶測(cè)量打印軟件，不同廠家生產(chǎn)的打印機(jī)和研發(fā)的軟件之間的互通性不高，在一定程度上影響著實(shí)際操作。目前的3D打印機(jī)只是單機(jī)工作，還不能遠(yuǎn)程或者聯(lián)機(jī)工作，因此，遠(yuǎn)程控制和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的打印機(jī)是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

四、3D打印技術(shù)的發(fā)展前景

傳統(tǒng)模具加工制造技術(shù)和3D打印技術(shù)都存在不足和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，讓兩者相互融合是該技術(shù)發(fā)展的方向，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高生產(chǎn)效率。如某企業(yè)開(kāi)發(fā)了新產(chǎn)品，可以利用3D打印技術(shù)進(jìn)行樣本生產(chǎn)，方便產(chǎn)品的修改訂正等；產(chǎn)品完全符合要求后，用傳統(tǒng)模具制造技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。傳統(tǒng)生產(chǎn)方法需要先做模具，再生產(chǎn)出樣本產(chǎn)品，對(duì)樣本產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)修改，最后才能制作出符合要求的產(chǎn)品。整個(gè)過(guò)程繁雜冗長(zhǎng)，效率很低，而運(yùn)用3D打印技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程。但當(dāng)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，由于3D打印機(jī)是單機(jī)工作，不能做到批量生產(chǎn)，所以運(yùn)用傳統(tǒng)模具制造方法進(jìn)行批量生產(chǎn)，加快產(chǎn)品面世速度，提高生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟(jì)收益。此外，需要加強(qiáng)傳統(tǒng)制造方法和工業(yè)材料生產(chǎn)的速熔連接方法，研發(fā)出價(jià)格低廉、質(zhì)量?jī)?yōu)良的打印材料，爭(zhēng)取3D打印技術(shù)不再受到材料的限制。

模具制造行業(yè)和3D打印技術(shù)都在飛速地發(fā)展，兩者相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)。國(guó)際模協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)認(rèn)為，在未來(lái)3D打印機(jī)可以完成三成的工業(yè)產(chǎn)品，剩下的七成還是需要有模具生產(chǎn)制造出來(lái)。同時(shí)，3D技術(shù)與逆向工程及測(cè)量工程有機(jī)聯(lián)合在一起，可以促進(jìn)模具制造領(lǐng)域的技術(shù)更新，不斷攻克3D打印技術(shù)現(xiàn)存的技術(shù)難題，使得3D打印技術(shù)在模具研發(fā)設(shè)計(jì)和制造中有更廣闊的應(yīng)用。

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