浅谈FDM打印大型模具结构设计方法

赵 龙，马 睿，黄部东

（共享模具有限责任公司宁夏银川 750021）

模具是现代工业生产中使用极其广泛的工艺装备，是衡量一个国家制造水平高低的重要标志[1]。随着科技的进步，人们对模具提出了更高的要求，质量更好，结构更轻，绿色环保等要求使得模具在3D打印技术中找到了新的突破点——FDM.FDM简称熔融沉积技术，是一种层层堆积材料成型的3D打印技术，因其不需要昂贵的激光技术，成本低，被称为最有前景的3D打印技术[2]。目前，FDM打印在模具行业已经形成产业化应用。在FDM工艺基础上，模具的结构设计也随着技术的发展产生了新的变革。高质量、高效率、低成本、绿色环保和可回收是新型模具结构设计的目标。

1 FDM基本工作原理

FDM即熔融沉积成型，通俗来讲就是利用高温将材料熔化成液态，通过打印头挤出后固化，最后在立体空间排列成立体实物[3～4]。基本工作原理如图1所示，把塑性材料加入一个有一定空间的型腔中，通过加热装置对型腔加热，同时通过机械的旋转或者挤压形成熔融状态的塑性材料，通过打印头挤出，打印装置按照程序实现X、Y方向的移动，完成模具的一层轮廓后提升一定的高度Z，再用同样的方法打印第二层轮廓、第三层轮廓等，最后形成完整的零件。

图1 FDM打印基本工作原理

2 FDM打印模具结构设计

FDM打印可以简单的分为桌面机和工业机。桌面机一般都采用丝状打印，挤出头直径在0.4 mm～0.7 mm左右，层厚在0.1 mm～0.4 mm之间，因此打印精度比较高，但是效率特别慢，最高只能达到200 g/h.工业机则一般采用颗粒状熔融挤出打印，由于挤出头比较粗，在4 mm～10 mm左右，层厚在1 mm～4 mm左右，因此打印精度会远远低于桌面机，但是打印效率在2 kg/～20 kg/h，甚至可以更高。从工业角度来说，可以优先选择大挤出头的工业机，同时采用增材减材一体机来解决打印精度低的问题，目前这一工业FDM打印机已经在模具制造上得到了很好的实践和应用。FDM工业打印机可以适应任何热塑性材料。目前，PLA材料以其良好的收缩率被广泛应用。

现有铸造用模具有木模、金属模和射芯模、消失模等。金属模和射芯模都是以木模为基础制造的，周期很长，适合大批量生产，消失模的使用寿命只有一次。木模是模具的基础，大概占据铸造用模具市场的90%左右。木模需要对整体模型进行分块，由于木模由固定厚度的板材拼接而成，因此还需要对具体模块进行分层，设计流程麻烦，制造过程复杂，设计周期和制造周期相对来说都比较长。采用FDM打印模具后，不需要再对具体模块进行分层，可实现整体打印，将设计周期和生产周期同时缩短30%～50%，同时也降低了对操作人员的技能等级的要求，基本实现无人化和自动化。FDM模具因为其高效率、低成本、绿色无污染等优点，在行业开始广泛应用。

FDM打印模具的结构设计与FDM的成型方法息息相关，由于FDM本身为线条状结构拼接而成，优点在于可以将支撑和本体同时打印，最后将支撑去除保留本体，随型成型，降低了工艺员的设计难度，同时对模具结构设计也提出了新的要求和想法。经过总结实践，FDM打印设计的模具结构包括实体打印模型、网格打印模型、筋板打印模型。

2.1 实体打印模型

实体打印模型可参见图2，主要是针对有试验结构要求的产品，此类产品的特点是形状非常复杂，壁薄，设计人员需要利用此结构完成强度等试验，缺点在于浪费材料。

图2 实体打印模型

2.2 网格打印模型

网格打印模型如图3所示，是FDM模具产品设计中最常用的一种模型。此类模型通过底部、顶部、侧边实体，中间网格的形式来完成，优点在于为产品内部提供支撑，增加产品的强度。经检验，45°交叉网格形式是最优的产品结构，内部为网格形式，减轻产品本身的重量，当网格宽度达到挤出宽度的10倍的时候，产品的重量仅为实体重量的50%～60%.此类产品的缺点在于加工的时候容易由于上层塌陷导致加工缺陷，从而导致产品的报废，此类问题可通过吹风冷却、降低打印速度等方法来解决。

图3 网格打印模型

2.3 筋板打印模型

筋板打印模型如图4所示，是另一种FDM模具产品设计中典型的方法。此类模型不同于网格模型的地方在于中间网格支撑的部分更改为拉筋结构，在打印模型时提前打印封顶用的板材，待到达顶部时盖顶板，继续打印顶层直至完成整体打印。此类模型的优点在于强度高，产品重量为实体打印重量的50%～60%，与网格模型接近。其缺点在于容易产生翘边。

图4 筋板打印模型

在实际的打印过程中，需要根据模具产品本身的结构，权衡分析以后选择适合的产品结构，如果需要，可以采用组合形式。

3 FDM打印模具结构设计及生产流程

目前，FDM打印模具设计基于虚拟制造技术和数字化制造设备进行。在介绍顾客图纸或者有新的想法的时候，首先会利用三维建模软件完成产品的三维建模，以便于设计人员和制造人员更为直观的理解设计目的，判别设计方案的合理性。由于FDM产品在打印完是需要加工的，因此还需要在设计的三维模型上进行贴量，以保证加工后的产品尺寸和外观。

图5 产品设计及生产流程

制造者在接受到设计者的三维模型后，对产品的工艺参数进行设置，包括层厚、线宽、支撑、底层、顶层，内部等。然后切片生成G代码，最后导出，进入打印序。最终打印成型的产品即是顾客要求的模型或者产品形状，与产品设计相符合。图5为FDM打印模具产品设计及生产流程。

4 结 语

目前，FDM打印铸造用模具已投入产业化应用阶段，可替代50%～60%的木模和金属模，相对来说成本低，材料种类广泛，零件复杂程度适中，设备制造维修成本低，使用寿命是木模的2倍～3倍，重量轻，绿色环保，可回收。随着3D打印的进一步发展，模具结构的设计将更为重要，产品结构将会进一步推进模具行业的进步。

［1］ 李仁杰.基于快速成形技术的快速模具制造技术［D］.大连：大连理工大学，2005.

［2］ 王东立，梁宏斌.FDM在模具制造中精度及强度的研究［J］.机械设计与制造，2016（1）：112-114.

［3］ 邹国林.熔融沉积制造精度和快速模具制造技术的研究［D］.大连：大连理工大学，2002.

［4］ 杜文军，刘轶，杜银学，王军伟.大型FDM三维打印机的研制［J］.金属加工（热加工），2016（5）：50-52.