关于3D打印技术在模具制造中的应用

史长椿　郭玉霞　胡春雷　张志权　于洋洋

摘要：3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前广泛应用于模具制造、工业设计等领域。且在航空航天、工程施工、地理信息系统及医疗产业都有所涉及。3D打印被赋予了第三次工业革命的大背景，目前已经步入了飞速发展的时代，为提升中国的制造力提供一个更加宽广的平台。

关键词：3D打印技术；模具制造；第三次工业革命；制造力

模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、仪表、家电和通信等产品中60%-80%的零部件都依靠模具成型，模具质量的高低在很大程度上决定了产品质量的高低，模具又被称为“百业之母”，所有工业产品莫不依赖于模具才得以大批量生产。CNC加工是在制造模具时最常用的技术。虽然它能够提供高度可靠的结果，但是非常昂贵而且浪费时间。在这样一个新形势下3D打印技术应运而生。它具有的节省材料、快速成型、精准制造等优点使得其在模具制造中逐步兴起。

1.我国模具制造技术的现状

我国目前已成为世界上净出口模具最多的国家，虽然能生产大型多工位级进模、精密冲压模具、大型多型腔精密注塑模、大型汽车覆盖件等模具，但是总体技术水平不高，与国外发达国家相比仍然有较大差距。

1.1模具寿命低

影响模具寿命的因素较多，其中模具材料是重要因素，由于我国模具钢品种少、质量低、性能差，大多数模具钢是上世纪70-80年代研制的，种种原因，真正使用的量较少，导致模具寿命低。比如国外硅钢片冲模总使用寿命为500万次以上，而国内一般为50-60万次，最高只达到150万次。国外热锻模使用寿命为50万次，国内只有3-5万次。

1.2生产周期长

我国模具钢市场80%左右是黑皮圆棒料，品种单一。扁钢、精料、经过预硬化的材料和制品以及标准件在市场上极少见，精料化、制品化程度低。模具制造厂通常将圆棒料改锻成扁钢或模块，绝大多数采用自由锻，很少采用模锻和三镦三拔的工艺。因此锻件的内在质量较差，外形尺寸偏大，造成加工余量大，所以国内模具钢利用率低（只有50%左右），影响模具制造周期。

1.3新材料推广宣传力度不够

国内常用的模具钢基本上是从20世纪50年代初沿用下来的老式钢材，许多生产企业长久以来只知道常用的几种钢，生产工艺落后，技术水平低下。

2.我国3D打印技术发展现状

我国3D印技术的研究工作起步于20世纪90年代初，最早进行3D打印技术研究的科研机构包括华中科技大学、西安交通大学、清华大学、上海复旦大学、浙江大学、西北工业大学和北京隆源自动成型有限公司等。这些科研机构早期在各成型工艺和成型设备的研究和开发方面各有侧重，也取得了许多重要成果。如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型的商品化设备等。

近年来在国家科学技术部及省市有关部门的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、重庆等地建立了一批向企业提供3D打印技术的服务机构，也涌现出了一大批市场化的民营公司投资的3D打印服务机构并开始起到了积极的作用，推动了3D打印技术在我国的广泛应用。目前3D打印市场已经度过了启蒙期，正处于快速发展的阶段。但是也面临着创新升级的瓶颈。与发达国家相比，我国的3D打印还停留在概念层面，暂无成熟的营利模式。以3D为主业的上市公司數量很少，规模很小；从应用层面来讲低端运用已趋于饱和，工业级则由于成本高、技术欠缺等问题，市场比仅占20%～30%。近几年随着国家相关政策的出台，在国家十三五规划和倾向高新尖产业方针的背景下，3D打印将会迎来巨大的发展机遇。

3.3D打印技术在模具设计与制造中应用的优点

3D打印一个的一个非常有前途的应用就是在模具上直接生产。比如成型（吹塑、LSR、RTV、EPS、注塑等）、铸模（熔模、砂模等）、机械加工、装配和检验、机器人末端执行器等环节。与传统模具制造过程相比3D打印模具拥有以下优点：

3.1节省模具生产周期

3D打印可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期。它能够在数小时内成形，让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃。在以往，由于考虑到还需要投入大量资金制造新的模具，公司有时会选择推迟或放弃产品的设计更新。通过降低模具的生产准备时间，以及使现有的设计工具能够快速更新，3D打印使企业能够承受得起模具更加频繁的更换和改善。它能够使模具设计周期跟得产品设计周期的步伐。成为企业创新的驱动源，促进了产品的更新换代。

3.2节约了制造成本

如果说当下金属3D打印的成本要高于传统的金属制造工艺成本，那么成本的削减在塑料制品领域更容易实现。金属3D打印的模具在一些小的、不连续的系列终端产品生产上具有经济优势，或者针对某些特定的几何形状更有经济优势。尤其是当使用的材料非常昂贵，且传统的模具制造材料报废率很高的情况下，3D打印具有成本优势。此外，3D打印在几个小时内制造出精确模具的能力也会对制造流程和利润产生积极的影响。尤其是当生产停机或模具库存十分昂贵的时候。3D打印的灵活性使工程师能够同时尝试无数次的迭代，并可以减少因模具设计修改引起的前期成本。

3.3提高了精准制造能力

通常，金属3D打印的特殊冶金方式能够改善金属微观结构并能产生完全致密的打印部件，与那些锻造或铸造的材料相比，其机械和物理性能一样或更好。增材制造为工程师带来了无限的选择以改进模具的设计。当目标部件由几个子部件组成时，3D打印具有整合设计，并减少零部件数量的能力。这样就简化了产品组装过程，并减少了公差。此外，它能够整合复杂的产品功能，使高功能性的终端产品制造速度更快、产品缺陷更少。例如，注塑件的总体质量要受到注入材料和流经工装夹具的冷却流体之间热传递状况的影响。如果用传统技术来制造的话，引导冷却材料的通道通常是直的，从而在模制部件中产生较慢的和不均匀的冷却效果。而3D打印可以实现任意形状的冷却通道，以确保实现随形的冷却，更加优化且均匀，最终导致更高质量的零件和较低的废品率。此外，更快的除热显著减少了注塑的周期，因为一般来说冷却时间最高可占整个注塑周期的70%。

3.4为产品提供了更多的可能性

3D打印不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，就能直接把计算机的任何形状的三维CAD图形生成实物产品。而且随着材料的种类日益增多，功能也从传统均质材料到非均质材料。未来3D打印不仅可以打印种类繁多的均质材料也可以打印功能各异的非均质材料，如功能梯度材料等。相信随着科技的进步和国家政策的支持3D打印将会在多元化的领域得到更进一步的发展。