模具制造中3D打印技术的应用研究

严道发

（苏州工业园区职业技术学院，江苏　苏州　215123）

模具制造中3D打印技术的应用研究

严道发

（苏州工业园区职业技术学院，江苏苏州215123）

3D打印技术兴起于20世纪末，也被称为增材制造，是快速成型技术的分支。在近几年，3D打印走进了普通大众的视线，引起了人们的广泛关注，并在多个领域蔓延。而模具制造是工业的基础，模具行业在国民经济中有重要地位，模具行业的发展水平可以影射出国家的制造水平。3D打印技术在模具行业的应用程度不断加深和拓展，在我国也有强劲的发展势头。文章简单分析了3D打印技术的工作原理、特点以及在模具行业中的应用优势，运用实例阐述打印技术在模具制作中的具体应用，提出3D打印技术目前存在的技术局限和未来的应用前景。

模具制造；3D打印技术；应用

一、3D打印技术工作原理及特点

利用3D打印技术生产加工模具，可以不用将模具的结构及形状的复杂程度考虑在内，特别是曲面加工时候，3D打印技术有其特有的优势。随着该项技术的发展，原型材料和性能也不断完善，能够与传统的制造法互相补充，在模具行业中发挥的作用和功能将越来越大。

（一）3D技术的原理

根据3D打印技术目前的发展程度，常见的3D打印技术包括了光固化成型（SLA）、三维粉末黏结（3DP）、熔融沉积快速成型（FDM）等三种。以上技术种类与以往的喷墨打印机工作原理较为相似，但使用的材料不同。喷墨打印机喷出的是墨水，而3D打印机喷出的是蜡、黏结剂、树脂等材料。

光固化成型（SLA）利用的材料是光源照射热敏性或者激光性材料，一层一层扫描后照射固化，以此获得目标产品。SLA技术的研究最为深入，其发展也最为成熟，比较适合应用在精度较高和结构复杂的元件打印中，如图1。

图1　光固化成型原理

三维粉末黏结原理（如图2）是先在工作的平面上铺设上一层粉末性材料（塑料粉末、金属粉末、陶瓷粉末等），黏合剂通过喷嘴喷射到工作面待成型区，等待成型区的粉末材料黏结，就会形成目标产品的截面形状，最终打印出目标产品。

熔融沉积快速沉积，即熔丝沉积（如图3），是将丝状性的热熔材料进行熔化处理，喷嘴将熔化后的热熔材料喷出，沉积在事先固化好的材料上，此步骤循环进行，经过材料的层层堆积，最终形成目标产品。熔丝沉积方法是3D打印技术中应用最多的技术，其制造成本低，方法简单易懂。

（二）3D打印技术特点

3D打印技术的应用会随着时间的推移而发挥更大的作用，成为促进制造产业升级的方法之一。该技术主要有三个特点，生产周期短，复杂模型成型快，制造精度高。3D打印技术可以缩短生产周期，简化生产步骤，省略了传统制造业中的一些加工程序，从设计到成品的全过程都可以在计算机中完成，大大提高生产效率。同时，3D打印机生产产品可以不考虑目标产品的复杂程度，直接对复杂模型进行制作。该技术在制作产品曲面中有不可替代的优势。此外，制造精度较高的产品中，3D技术制造后的结构可以达到更高的精度，包括尺寸、形状和位置精度等，这也是模具加工行业没有的亮点。

图3　熔融沉积成型原理

二、3D打印技术在模具制造中的运用

（一）模具制造中3D技术的应用

传统的模具制造是利用CAD软件进行模流分析、软件修正，及确定进料点和分型线等，所设计出来的零部件、元件进行组装调试，整个流程费时费力，生产周期偏长，并且不能存在任何缺陷，否则会造成巨大损失。3D打印技术用逆向工程的思维来转换传统模具的生产加工方式，因其在形状和结构精度较高的产品中的特有优势，可以有效解决加工过程中母模问题，减少了传统模具制造中的设计环节，使得产品的更新换代时间更短。模具行业中的传统生产方法也可以与该技术相结合，发挥各自的优势，3D技术在模具制作中的应用会有更重要的作用。

图2　三维粉末黏结原理

通常情况下，3D打印技术的打印程序可以分为三步。第一步，3D建模。利用3D建模软件，如UG、Pro/E等将产品三维参数模型确定下来，这需要保证模型的尺寸、形状等精度，模型的质量可以决定后期目标产品的打印质量。第二步，模型分层。打印机里有自动分层软件，可以将3D模型沿着工作面分层，每一层有产品的二维信息数据。通常情况下，分的层数越多，打印产品的质量和精度越高，但其打印的速度也会相应地放慢，进而降低了生产效率。第三步，打印。打印机的读取程序可以自动识别出分层内的二维信息数据，将粉末材料等黏合起来，通过层层堆积，最后形成目标产品。

（二）模具制造中3D技术应用实例

3D打印技术在一副模具异形型芯中的实际应用。图4中的塑件用以进行模型设计。该塑件的腔体深度65毫米，长短边分别是30和15毫米，细长空心塑件。图4中（a）（b）分别是塑件正侧面及顶底部结构。

图4　塑料结构

采用UG软件对图4中的塑料构件的成型设计，型芯设计结构如图5。因为塑件呈细长型，所以其型芯也需设计为细长型。冷却问题是模具制造中的难题，尤其是细长型芯的冷却。基于传统生产方法，在型芯上设置水道的难度较大，所以必须采取底部冷却的方法（如图5），而由于型芯过于细长，其冷却效果不佳，可能引起塑件变形弯曲，降低生产效率和产品质量。

图5　型芯结构

打印型芯结构。因为细长型芯采用底部冷却方式，所以其冷却效果不佳。因此，应结合3D打印技术优化该结构和冷却水道。为了加强细长型芯的冷却效果，在型芯结构上设计了冷却水道（如图6），但传统生产方法不能或无法加工水道。利用3D技术的话，可以将异形水道型芯加工成实际产品。如在图6中，（a）是用传统方法生产加工出来的产品；（b）是3D打印技术加工出来的结构，加工出来的细长型芯具有整体性，细长型芯的冷却问题得到有效解决，提高了型芯的冷却效果。最后对模具进行总装设计。

图6　打印的型芯结构图

传统制造方法无法完成细长型芯冷却水道的加工，而3D技术却很好解决了这个问题，提高了产品的生产质量和效率。同时，有效提升了模具制造的能力，如在模具冷却水道设计制造，模具的注塑周期大大缩短，还实现加工材料的零浪费的效果。3D打印技术转换了设计的思维，可以根据元件的受力部位和承重情况进行思考，也可以将现有的技术形态升级，因为其生产制造的流程简单且期短，通过集成数控加工等制造技术可以提高复合制造能力。

图7　总装图

三、3D打印技术受限原因

3D打印的优势显而易见，可以节约原料，还可以制造精度更高的产品，简化模具生产步骤，减少人力加工等。但其发展受到一些限制，如模具力学性不能保证、元件的尺寸受限、打印所需的材料偏少等。

（一）打印模具的力学性能不能保证

元件的力学性能可以影响到产品的使用，是元件的重要参数之一。元件的选材、设计和分析制造等都需要参照力学参数。传统方法中的数控加工方式可以有效保证元件的力学性能，并且，在此过程中，会对元件进行热处理等工作，耗费的时间较长，力学性能相对较好。3D打印技术中，不能对元件进行热处理工作，就不能保证元件的硬度韧性和强度，这是3D打印技术需要攻克的难题之一。

（二）超大型模具的打印难以完成

3D打印机的规格从1.2×1.2m扩展到1.8×1.8m，成为当时世界最大的3D打印机。但是，这也不能满足现实的需要，如在工业中会运用到更大的模具，3D打印机无法完成，所以解决打印大型模具的技术难题势在必行。

（三）能够供应3D打印的材料的商家少

传统制造行业中，所用的模具材料种类繁多，形状相同的原件可能会因为所处部位的不同而使用不同的材料。目前为止，我国3D打印机使用的材料都是进口的，以色列的Object公司掌握了14种材料和107种混材，是目前掌握打印材料最多的公司，并且部分材料并不能运用于工业生产中。3D打印零件可能会因为材料的选择有限提高生产成本。由于3D打印机是自带测量打印软件，不同厂家生产的打印机和研发的软件之间的互通性不高，在一定程度上影响着实际操作。目前的3D打印机只是单机工作，还不能远程或者联机工作，因此，远程控制和网络服务的打印机是未来研究的热点。

四、3D打印技术的发展前景

传统模具加工制造技术和3D打印技术都存在不足和独特的优势，让两者相互融合是该技术发展的方向，发挥各自的优势，做到扬长避短，提高生产效率。如某企业开发了新产品，可以利用3D打印技术进行样本生产，方便产品的修改订正等；产品完全符合要求后，用传统模具制造技术进行大规模的生产。传统生产方法需要先做模具，再生产出样本产品，对样本产品进行反复修改，最后才能制作出符合要求的产品。整个过程繁杂冗长，效率很低，而运用3D打印技术，可以在计算机上进行修改设计，简化生产流程。但当进行大规模生产时，由于3D打印机是单机工作，不能做到批量生产，所以运用传统模具制造方法进行批量生产，加快产品面世速度，提高生产效率，增加经济收益。此外，需要加强传统制造方法和工业材料生产的速熔连接方法，研发出价格低廉、质量优良的打印材料，争取3D打印技术不再受到材料的限制。

模具制造行业和3D打印技术都在飞速地发展，两者相互补充、相互促进。国际模协会秘书长认为，在未来3D打印机可以完成三成的工业产品，剩下的七成还是需要有模具生产制造出来。同时，3D技术与逆向工程及测量工程有机联合在一起，可以促进模具制造领域的技术更新，不断攻克3D打印技术现存的技术难题，使得3D打印技术在模具研发设计和制造中有更广阔的应用。

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