3D打印于新产品的研发及模具制造上的应用

李跃林

摘 要：本文以新研发产品外壳为例，利用3D打印技术制造快速成型，完成新产品研发成果的输出，为新产品外壳模具制造提供实物参考，缩短模具制造的时间，加快产品快速上市。

关键词：3D打印；新产品研发；模具制造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.220

0 3D打印技术概述

3D打印技术，即“增材制造 ”。是一种以计算机三维模型为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，采用逐层叠加的制造方式将材料紧密组合在一起的工艺。主要的3D打印技术有热熔堆积成型、光固化成型、三维粉末粘接成型、选择性激光烧结成型等。

加工工作流程：CAD软件建模→3D建模→（分割）二维图形信息→（打印）三维模型→后处理→产品输出。

1 3D打印产品

本文以公司新研发的一款传感器外壳为例，利用3D打印技术快速获得产品实物。

1.1 利用CAD软件（如UG）进行建模

根据产品的工程图，用三维软件进行建模。二维CAD图纸已经在前期开发过程中设计出来，利用3维UG软件，进行1：1建模，核对尺寸后输出3D打印机能够识别的STL文件。

1.2 3D打印

打印的原理类似于常规的喷墨打印机，常规的喷墨打印机一次就将整个2维平面的文字或者图案打印出来，而3D打印机在完成一层打印后会在此基础上进行第二次喷绘，最终完成整个打印过程。我们将3维软件建模生成的STL文件转交给外协3D打印服务商，6个小时拿到打印好的产品。

1.3 打印产品的性能

此次打印的产品使用的打印材料为PLA，通过实物外观可见，产品底部为光滑的一层。从实物侧面看，可清晰的看见3D打印层层堆积产生的层次记录。强度和韧性度较好。通过破坏去除一个装配支撑点，发现内部空洞。在尺寸控制上，对比图示尺寸，尺寸偏小，是因为打印后热胀冷缩导致收缩。此外壳凹槽内安装一块PCB板，在装配过程中，发现由于产品收缩导致的内部尺寸偏小影响装配，通过打磨PCB板外轮廓完成装配。两端凸台中心螺纹孔，螺纹效果差，难以与螺钉进行装配。

2 3D打印产品在模具制造上的应用

通过对3D打印产品实际使用后，证实产品外壳的结构设计满足要求。下一步将开展设计产品的开模，进行批量生产。传统的塑料外壳制造过程为，产品机械图纸设计完成后进行模具制造可行性分析。完成后再进行模具制造，开模完成后试制，最后完成产品批量生产。

本次制造所需产品，除给开模制作厂家设计图纸，同时提供3D打印产品模型，可以直观的展现所开模产品的实际外观和内部构造，减少了读图的时间。实物模型可以很好的作为开模的参照，及时发现设计中的失误和不合理，以便及时修正相关设计。模具制造厂家针对实物模型，结合图纸提供的产品设计尺寸，采购原材料，经加工完成模具制作。模具制造完成后经试模，产生的产品尺寸达到了设计的要求，误差控制在合理的范围，考虑到产品在制造过程中出现的不均衡收缩，在模具设计阶段已做相关安排设计。从开始制作到产品试制完成减少了30%的时间。

3 3D打印技术用于新产品研发的优点

3.1 3D打印技术可以加快产品的研发进度

3D打印产品快速成型，为新产品的开发提供了很好的支撑，可以承受在新产品开发时频繁的更换设计和修改，提高了灵活性和适应性。大大减少了模具制造修改带来的风险，为产品的设计成型提供了强有力的保证。

3.2 3D打印技术可以减少研发成本

实际3D打印制造是分层制作，最终成型，制造复杂物品不增加成本，产品多样化不增加产品。对于新产品开发，产品的数量需求较少，单件，小批量等。只需少量的资金就可以得到所需的产品，减轻了研发成本，提高了成品的市场竞争力。特别是对于比较复杂的产品结构，3D打印技术并不会增加额外的成本，而一旦通过模具制造得到产品，前期的开模成本大。其次，模具制造完成后，因设计变更和完善修改等带来的模具修改费用同样很大，甚至出现结构复杂的模具无法进行修改，导致第一次的模具报废，模具制造的费用变成沉没成本。

3.3 3D打印技术可以缩短产品开发周期

从图纸设计到3D打印产品的输出，不同的产品所需的时间不同。针对本文中的案例，从开始画图到拿到3D打印产品只用了24小时。以前不可能在这么短的时间完成所需产品，传统制造方式需通过先开模再进行制作，至少需要10天。

4 3D打印技术的缺点

4.1 3D打印的零件尺寸受限。

2013年大连理工大学教授姚山及其团队花费10多年，终于成功研制出工作面尺寸达1.8x1.8m级的激光3D打印机，该技术创造了世界最大3D打印机记录，但这些设备仍不能满足工业上大型模具产品的制造。实际使用中的3D打印设备大部分都在1x1m级以下，遇到大型产品的制造难于满足要求。

4.2 3D打印产品的力学性能难保证。

力学性能是零件的重要参数，对零件的选材、结构设计、作用失效及分析、使用和工作寿命提供了主要依据。传统的数控切削加工为了达到零件的力学性能，在生产过程中通过对零件进行时效、热处理等相关工作。

4.3 3D打印技术可供使用的材料较少

目前我国的3D打印材料几乎完全依赖进口，就目前掌握最多打印材料的以色列Object公司也只使用14种基本材料，107种混搭材料，而这些材料中能用于工业的就更少。

5 结束语

企业在开发新产品时，利用3D打印技术制造样品，传统制造技术进行批量生产。传统制造的批量生产弥补3D打印速度慢、制作终端产品成本高的劣势；3D打印加快了产品上市的时间，提高了经济效率。3D打印技术还不能替代传统制造技术，针对3D打印技术和传统加工技术存在的不足和优势让它们相容互补是目前3D打印技术发展的方向。

参考文献：

[1]王波，王仙萌.基于3D打印技术的模具制造[J].锻压装备与制造技术，2014（03）：78-81.

[2]伍倪燕，廖璘志，傅贵兴，王渝平.3D打印技术对模具制造技术的影响分析[J].锻压装备与制造技术，2014（10）：86-88.