论增材制造如何赋能模塑智造成为新业态

杨建京

(广东模科激光科技有限公司，广东 珠海 519000)

一场突如其来的疫情给全球各行各业造成了深远的影响，所谓大疫当前百业艰难。人类正经历百年未有之大变局，世界必将发生深刻的变化。中国经济增速换挡结构转型，纵观历史，新生事物往往蕴藏在大危机中，危机和机遇并存的思维，成为新生事物突破的不二法门。回首过去，每种新技术的高速发展都有自己的风口，世界深度变革，科技主导未来。增材制造技术正处于这样一个大背景下。

1 国内3D 打印技术加速发展

党的十九大提出“加快建设制造强国，加快发展先进制造业” 的发展战略。而就近年充斥着疫情等因素的影响，不少制造业企业步履艰难，企业感到“山重水复疑无路”，却又在等待“柳暗花明又一村”，新技术的作用在疫情期间凸显，“变则通，通则达”，主动拥抱新技术数字化的革新浪潮，运用新一代模具智造技术给企业注入新鲜血液，必将迎接新时代发展的高光时刻！

当前，在科技创新驱动的推动下，全球增材制造技术也是百花齐放，增材制造技术的应用不断得到深入，《“十三五” 国家战略新兴产业发展规划》中“增材制造（3D 打印）” 成为重要一员，《国家增材制造产业推进计划2017-2020》亦开始滚动编制，国内政策东风无疑对增材制造的规模化应用带来了更多的机遇。特别是在工业化应用方面，增材制造将同等于传统的减材制造和等材制造一起发挥更大的柔性作用和自身独特的优势。

3D 打印技术作为第三次工业革命最具代表性、标志性的技术之一，得到制造业的广泛关注。而模具作为工业之母，模具的特定要求决定了模具本身非标工具的特性和3D 打印在定制化的应用特点上不谋而合，3D 打印直接打印金属模具需要解决的主要问题也成为金属3D 打印模具如何更多地解决传统模具制造问题，从而形成模具加工的技术升级版。有效缩短传统模具加工多个加工环节，并且还能独特的加持新的技术特点，应用最大化的提升模具智造水平。

2 金属3D 打印应用助力模具开发降本增效

首先，3D 打印技术对经济发展到底有什么具体的影响，一种新的技术如果不能带来经济价值也没有它的存在必要，至少很难得到快速的发展。而金属3D打印模具本身不增加额外成本，生产周期短，设计空间大，环保生产产生废料少。

其次，3D 打印技术可以帮助模具设计工程师跳出原有的设计思路，让模具设计更具有挑战性，复杂零件加工时间的减少，成型周期的极大改善。技术方面，我们打印的最终产品热处理后硬度可达HRC48～52度，甚至根据工件需要还可以更高，可直接应用于模具生产，更主要的是具有随型水路为模具加装了黑科技，因为我们知道超过50% 的塑件质量问题都是源自模具温度控制不均衡，成为注塑周期不能大幅度降低的瓶颈。

2.1 行业诉求

目前模具制造业主要的行业诉求有以下几点

（1）主要是冷却时间长，不能快速脱模。

（2）在产品冷却过程中不能有效控制模具温度，模具内部温度不均衡容易导致产品变形、翘曲、等尺寸问题。

（3）模具制造周期长及模具制造成本高，不能快速从容地应对客户对模具日益提高的要求。

2.2 金属3D 打印解决方案

金属3D 打印可以为之提供的解决方案有以下几点

（1）通过3D 数据直接打印出模具镶件内部含有随型水道，水道内壁能更好地贴近产品，水道把产品表面的热量带走，可以有效地降低冷却时间，缩短整个成型周期，一般生产效率比传统可以提高30% 以上。

（2）随型水路能均衡产品表面的温度，从而有效防止产品翘曲变形、飞边、气泡、砂眼等注塑件常规质量缺陷。

（3）金属3D 打印让设计自由且可以应对产品设计变更改模要求，工艺简单化了，大大缩短了模具制作周期，减少了多个制造环节产生的制造成本。

对有些注塑模具的内部结构有深骨结构，空间壁厚限制了传统的水路设计，导致冷却周期过长，而采用随型水路创新设计，可以将注塑成型冷却时间从35 s 减少至26 s，效率提高了25.7%。同时，为了更好地降低模具的制造成本还可以采用嫁接打印，也使得模具的总体制作成本降低了42%，应用价值立竿见影。

3 设备及材料助力模具开发工艺应用

需要通过有水路冷却的工件就可以考虑采用金属3D 打印技术，不断开发新的应用点，让更多的产品受益。比如白炽灯代替了灯泡，新技术的成熟应用可以节约成本，比如早些年热流道在刚推出的时候也度过了市场验证和认可非常的艰难的时期。

金属3D 打印设备技术也在不断提高，从铺粉回程、刮粉、铺粉阶段速度可调，单层铺粉时间≤8 s，兼顾效率和铺粉质量，有效保障零件打印效率。国内市场上已有新研发的多激光模具打印设备更是大大提高了打印效率。另外，大层厚打印是提高效率的另一途径，目前有些国内外3D 打印设备厂商已掌握层厚为100 μm 的打印工艺，最高打印速度可达单激光50 μm 层厚工艺的2.5 倍，零件相对密度达99.99% 以上。模具加工工艺的可靠性将更高，对于需要嫁接打印或修复的模具，开发零件自动一体嫁接技术，使用3D 扫描仪来辅助进行金属件的检测和定位，嫁接精度可控制在0.05 mm 以内，在能保证复合制造零件稳定性的同时，从而能大大降低复杂零件加工成本。

目前打印模具钢已开发18Ni300、17-4PH、CX、316L 和H13 等材料，可以用于金属3D 打印模具的正常使用。

增材制造已经不再是简单的一项工艺或装备那么单一，而是一个包括设计、软件、材料、工艺、装备、价值链、基因组、检测、标准等全方位创新的技术群。产业正在不断转型与升级，唯有创新才能突破传统，增材制造的技术应用正在以积淀数十载之功呼啸而来，未来必将拥有一席之地。

4 增材制造在模具智造中大有可为

4.1 增材制造应用在模具方面

增材制造应用在模具方面，主要体现以下几个技术特点：

（1）随着打印成本的亲民，未来基本每套模具都可以采用随型水路代替传统水路冷却。我们之前做模具设计在分模或做模流分析时，发现热点集中区域，首先考虑做水井（喷淋管）或者通过Be 铜做镶件来进行冷却。但是，水井冷却的方式如果对于不是圆形结构的产品同样存在冷却不均衡的现象；其次采用Be铜冷却会造成Be 铜区域与周边钢材区域冷却不均。而往往模具热量不均衡，调机师傅首先会考虑延长生产周期来进行平衡制造。

（2）增材制造的加工特点，可以打印具有透气钢的应用。注塑生产过程由于模腔和原材料在熔融过程产生气体需要从模具中排出，如果不能有效排出容易产生烧焦、困气、走胶不齐，而往往会考虑采用排气钢。但是传统有局限，因为采用了排气钢镶件，这个区域就会有不能设计水路的尴尬。这就会造成透气钢的局部温度过高，从而引发产品的外观不良；另外传统透气钢容易发生堵塞，需要经常拆下来维修清洗，使生产停机的时间过长，不能保证连续生产。现在可以采用3D 打印透气一体件，有传统没有的优点它可以通过调整参数来达到透气钢的不同致密度，即能保证透气性要求，同时还可以设计气道，在生产保养的过程中，通过反吹气来保证气道不会堵塞，也可以保证连续生产。另外可以在非透气区域设计冷却水路，确保透气钢的温度与周边模具钢材的温度一致。

（3）因为增材制造可以制造工件内部复杂的异型结构，可以延伸很多技术应用。传统对于一些有表面孔特征非常多的产品或一些外观需要达到高光无痕的产品，一般需要采用急冷急热技术，即注塑充填是切换到热蒸汽，在充填完成后切换到冷却水，而这种方法最直接的影响是需要投资急冷急热设备，费用昂贵注塑成本增加。而采用增材制造的急冷急热技术，我们既可以达到急冷急热技术的效果，也可以达到控制成本的目的。它的原理是在靠近产品的区域做一层随形的加热电圈，在电圈的外面设计一层冷却水路，注塑充填时电圈通电加热，注塑充填完成后停止加热，外层的随型冷却水路保证模具能够迅速冷却，从而达到急冷急热的效果，两全其美。

在制造业不断转型升级的今天，增材制造技术的推广和应用更具有优势，也为传统制造业找到了新的亮点，而非对传统模具行业产生冲击，为模具行业带来的机会和新思路才是更值得我们关注。对于生产开始后可能进行设计变更导致模具重复修改，增材制造技术更能灵活地快速设计和迭代，满足日益创新的产品应用体验；增减材制造完美融合、取长补短。

模具被称为“工业之母”，是工业生产的基石。三十年的发展使中国成为世界模具制造及消费大国，建立起了模具工业体系，2016年中国的模具产能达到2 400 亿元，销售额约1 800 亿元；中国模具工业保持着稳步发展、转型升级进一步加快和提质增效前景明朗可期的局面。

模具行业之所以称之为工业之母，因为各个制造业领域都与其可能有关系。制造业对模具的依赖度比较高。在加工零部件方面，制造模具能够提供高度可靠的产品，同时也有价格昂贵和耗时长的不足。某些前沿领域的模具制造企业已经开始寻找有效的替代方式，增材制造（3D 打印）制作模具成为了对模具制造企业很有吸引力的方案，尤其对于形状复杂且小批量生产的模具。

5 攻坚克难模具行业目前所面临的瓶颈问题

传统模具制造主要是制造周期长和制造成本高两个方面，而增材制造技术能够有效缩短整个产品的开发周期；增材制造技术可以降低模具的生产准备时间，使现有的设计工具能够进行快速更新，加快产品开发速度并且提高灵活性。

增材制造技术加工的模具镶件在降低注塑周期上具有降本优势，针对某些特定复杂结构模具优势更加明显。尤其是在使用昂贵材料时，例如钛合金等贵金属，传统模具制造技术会导致材料报废率很高，这时增材制造的成本优势会更加凸显。

此外，增材制造技术的直接成型对模具制造流程缩短产生的利润，带来了积极的影响，对于经常需要设计变更的产品，可以减少模具设计修改导致的前期成本浪费。

现有的传统冷却系统一般由直孔或斜孔水道构成，其形状无法均匀贴近型腔表面，易造成冷却不均且效率低，有些结构（如高长细的镶件）甚至无法加工水道。随型腔结构变化的随型冷却水道可极大地提升冷却效率和均衡性，利用机加工和电火花等传统工艺无法制造。有时为了满足复杂模具高效冷却的需求，往往需加工Be 铜镶件以满足局部冷却要求，但增加了模具的制造周期和成本。因此，高性能模具制造亟需寻求新的加工方法。

增材制造的模具或镶件应用后，注射和冷却时间明显缩短，弥补了传统模具冷却塑件容易产生的品质缺陷从而得到抑制和改善。

模具制造工艺直接影响其批量生产模具的使用效果，尤其是冷却系统对其寿命、效率和产品质量影响至关重要。现有冷却系统大多由直孔水道构成，其形状无法均匀贴近型腔表面，易造成冷却不均且效率低。随型腔形状变化的随型冷却系统可极大地提升冷却效率和均匀性，但采用机加工无法制造。增材制造基于材料叠加原理，将复杂三维结构分解为若干二维制造，恰好可解决随型冷却水道的制造难题。金属增材制造特殊的制造工艺在成形精度、表面质量及复杂结构制造能力方面更具优势。根据这些年在金属3D 打印模具市场看到，带有随型冷却水路的模具冷却效率比传统提高30% 以上，且明显减小塑件的变形程度，使模具在注塑、压铸、锻造等中具有广泛的应用前景。

模具是基础工艺装备，汽车、3C 等支柱产业中60%～80% 的零部件靠模具成形。模具制造工艺直接影响其使用效益，所以模具的冷却系统对模具整体寿命、生产效率和产品质量都是至关重要的；有效解决目前模具行业的几个瓶颈问题。

6 正视增材制造本身技术问题积极同传统制造相融共生

增材制造金属模具仍然面临“材料种类少、应力开裂严重和性能一致性差” 的突出问题，制约了该项技术在模具领域的大范围普及应用。

未来在该领域所面临的挑战和发展趋势可归纳为以下几点：

（1）适合增材制造工艺和模具性能要求的金属材料，以S136、H13 模具钢为成形材料，就需弄清合金关键元素Cr、Mo、V、Si 对于增材制造冶金质量及模具性能的影响规律，气雾化制粉等制备工艺对增材制造冶金质量及模具性能的影响规律。

（2）基于增材制造工艺的模具随型水道设计规则同模流仿真分析有机结合，另外还需弄清水道截面形状、尺寸及变截面水道等尺寸因素对冷却效果的影响规律，水道空间布置、多路水道并行布置对冷却效果的影响规律。

（3）随型水道+ 排气通道一体件，致密型体多工艺结构一体化增材制造工艺。

（4）除了冷却水道外，模具还包括排气通道和异形浇口等难制造结构，可利用增材制造在复杂结构制造方面的优势，实现区域致密度可调、性能可控的多工艺结构一体化制造。

模具制造过程中，增材制造和传统减材制造工艺相互交替可以得到更好更精密的工件。

7 总结

目前越来越多的供应链加入到模具增材制造行业当中，慢慢形成一个完善的供应体系。针对前文提到的金属3D 打印模具还没有大面积爆发的几个关键原因，对于设备商来说，后续会在加工速度上进行研究并有进一步的提升；对于原材料供应商来说，原材料制造技术的提升和降价是一个必然的市场趋势。

这些年来，我国增材制造技术发展迅猛，体现在非金属和金属两大方面着实为制造业带来了许多新的变革，许多行业受到了增材制造技术颠覆性影响。其中，模具是现代工业生产中的重要装备工具，其制造水平直接体现在产品的质量、效益、新产品的研发能力上。

政府工作报告指出，要实施“中国制造2025”，坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展。在这一转变和时代科技变革中，智能制造是主攻方向。增材制造产业具有广阔前景，必将引领新一轮的制造技术革命。在新一轮的技术革命中，增材制造技术将会扮演令人非常瞩目的角色，也必将引领世界模具制造进入一个全新的时代。