3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

陳楠

摘 要：3D打印技術(shù)是最近新興的一種增材制造技術(shù)，特別是在美國奧巴馬做了關(guān)于3D打印技術(shù)的報(bào)告之后，更是風(fēng)靡全球。它在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在模具行業(yè)中也占有重要的地位，那么，3D打印是怎樣應(yīng)用到模具之中的？又對(duì)模具行業(yè)有什么樣的影響？會(huì)取代傳統(tǒng)模具嗎？下面將對(duì)此做一個(gè)簡(jiǎn)單的探討。

關(guān)鍵詞：3D打印；模具；逆向工程

1 3D打印的產(chǎn)生

3D打印技術(shù)最近幾年走入了大眾的生活之中，但是實(shí)際上它已經(jīng)擁有了30多年的歷史。早在20世紀(jì)90年代，就有光固化和紙層疊加等快速成型技術(shù)，其就是現(xiàn)有3D打印技術(shù)一開始發(fā)展的形態(tài)，在經(jīng)過幾十年的發(fā)展之后，3D打印的原材料與方式不斷得到拓展，應(yīng)用范圍也越來越廣，在今天，這些技術(shù)統(tǒng)稱為3D打印。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用范疇

3D打印主要可以應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)、文化創(chuàng)意產(chǎn)品、工藝美術(shù)品、建筑、首飾、服裝、各類模型制作、醫(yī)療、航空航天、汽車工藝、家電、模具等范疇。范圍幾乎包括了我們生活的方方面面，但是，3D打印其實(shí)并沒有大家所想象的這么神奇，其應(yīng)用在現(xiàn)階段還受到諸多方面的限制。我們以模具制造為例，來看一下其應(yīng)用。

3 3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在模具領(lǐng)域中主要用于新產(chǎn)品開發(fā)試制等。傳統(tǒng)模具制作需要用到車銑刨磨鉆、電加工等多種加工方式，這些制造方式工藝復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)且費(fèi)用高，會(huì)影響新產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)速度。最重要的是，為了模具使用壽命及成型工藝，有時(shí)還需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的冷卻流道系統(tǒng)。傳統(tǒng)加工一般鉆直孔來代替，但是在復(fù)雜的成型結(jié)構(gòu)中，直孔難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，所以，應(yīng)用3D打印技術(shù)來進(jìn)行快速模具的制造，可以進(jìn)行模具的試制和小批量生產(chǎn)。這樣就可以解決技術(shù)、時(shí)間、成本等多方面的問題。

4 3D打印模具應(yīng)用舉例

（1）電鑄模

電鑄模結(jié)合了增材制造和傳統(tǒng)電鑄，其通過對(duì)增材制造原型表面進(jìn)行打磨、拋光、涂覆電鍍層之后將其置入電鑄槽進(jìn)行電鑄，以獲得金屬殼層。通過電鑄精確得到原型外表面之后，高溫去除原型并處理即可得到需要的電鑄模。如飛機(jī)模型的發(fā)泡模應(yīng)用。

（2）噴涂模具

此種模具把增材制造技術(shù)與噴涂技術(shù)結(jié)合而成。其過程是用噴槍在增材制造技術(shù)得到的原型表面噴射一層金屬殼層至2mm左右，再利用鋁顆粒與樹脂的混合物作為背襯物并埋入冷卻管道，去除原型后即可得到噴涂模具。

（3）中低熔點(diǎn)合金模具

其過程是采用增材制造技術(shù)得到原型，再將原型翻版為硅膠膜，以硅膠模翻制石膏模，最后通過石膏模得到中低熔點(diǎn)合金模具。其可以滿足汽車覆蓋件試制模具要求。

（4）復(fù)雜隨形冷卻模具

傳統(tǒng)加工方法難以加工成型復(fù)雜的流道系統(tǒng)，導(dǎo)致模具的冷卻效果不能達(dá)到最優(yōu)，容易出現(xiàn)產(chǎn)品缺陷。利用增材制造技術(shù)可以解決隨形冷卻的問題。

（5）壓蠟?zāi)＞?/p>

該技術(shù)采用光固化成型技術(shù)結(jié)合軟膜技術(shù)，整個(gè)模具制作周期只需2天，可以大大縮短企業(yè)研發(fā)周期，在市場(chǎng)中搶占先機(jī)。

（6）粉末冶金快速模具

用SL技術(shù)得到的原型翻制出硅膠的中間轉(zhuǎn)換模，再將混有樹脂黏結(jié)劑的工具鋼粉末灌注到中間模中，材料凝固后去除生坯件進(jìn)行燒結(jié)去除黏結(jié)劑，最后滲銅處理得到成品。

5 3D打印技術(shù)是否能替代傳統(tǒng)模具

（1）3D打印成型的零件尺寸受限。現(xiàn)在世界上加工面積最大的3D打印設(shè)備工作面尺寸為1.8×1.8m的激光3D打印機(jī)，并不能滿足工業(yè)上大型模具制造需求。

（2）3D打印得到的模具，其力學(xué)性能難保證。傳統(tǒng)的數(shù)控切削加工在生產(chǎn)過程中對(duì)零件進(jìn)行了時(shí)效、熱處理等工作來保證零件的力學(xué)性能，而3D打印技術(shù)明顯不能完成這些工作，所以，3D打印出的零件從表面上看和傳統(tǒng)加工零件一樣，實(shí)際上其力學(xué)性能是難以保證的。所以，要想解決這個(gè)問題，就需要找到更好的原材料、改進(jìn)3D打印技術(shù)、并想辦法提高3D打印模具的強(qiáng)度、韌性、表面硬度等力學(xué)性能。這也是為什么大部分模具都是把3D打印技術(shù)作為一個(gè)中轉(zhuǎn)過程，比如，做原版模型，或者做不需要那么高要求的試制、小批量生產(chǎn)等工作。

（3）可用于3D打印的材料種類少。傳統(tǒng)制造業(yè)所用材料的種類繁多，根據(jù)不同的使用需求有不同的材料可以選擇，但是3D打印材料種類稀少不說，還大部分依賴進(jìn)口，而進(jìn)口的材料種類也有限，如以色列Object公司也只有14種基本材料，107種混搭材料，其中可用于工業(yè)的就更少了。所以3D打印技術(shù)制造零件時(shí)，選材受限，會(huì)大大提升制造成本。

（4）尺寸精度和表面粗糙度達(dá)不到精密模具要求，導(dǎo)致其需要進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械加工，會(huì)再次增加模具的制造成本和制造周期。

6 3D打印技術(shù)在我國模具的應(yīng)用現(xiàn)狀

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，方便、快捷、應(yīng)用廣泛，但是同時(shí)也具有材料受限、力學(xué)性能受限、價(jià)格昂貴、尺寸受限等缺點(diǎn)。所以，3D打印技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用與國外相比有較大差距，像國外的3D打印在義齒、醫(yī)療等方面已經(jīng)普遍應(yīng)用，國內(nèi)才慢慢開始。雖然如此，但是我們還是不能夠忽視3D打印技術(shù)給模具制造帶來的改變。將3D打印技術(shù)引入到模具設(shè)計(jì)制造中是必然的，只是達(dá)到全方位的應(yīng)用還需要時(shí)間和努力。

我國現(xiàn)在主要把3D打印技術(shù)用到產(chǎn)品前期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、樣板制作及成型制造隨形冷卻水路模具等。由此可見，3D打印在模具行業(yè)中的應(yīng)用階段主要是樣品的生產(chǎn)。利用3D打印制作出的模具來生產(chǎn)樣品，然后對(duì)生產(chǎn)出來的樣品的結(jié)構(gòu)、外觀以及功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試合格，就說明該種模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可以使用，然后還是利用傳統(tǒng)加工進(jìn)行生產(chǎn)模具的制作，以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。所以，3D打印技術(shù)對(duì)于現(xiàn)階段來說，主要是輔助生產(chǎn)的工具，多應(yīng)用于研發(fā)階段。

3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)各有優(yōu)劣，但目前3D打印技術(shù)還是不能替代傳統(tǒng)制造的。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇立祥，朱鵬英，旁文良.關(guān)于3D打印技術(shù)對(duì)機(jī)械制造行業(yè)的影響[J].工業(yè)B，2015，（20）：138.

（作者單位：咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院）