關(guān)于3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

史長(zhǎng)椿　郭玉霞　胡春雷　張志權(quán)　于洋洋

摘要：3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。且在航空航天、工程施工、地理信息系統(tǒng)及醫(yī)療產(chǎn)業(yè)都有所涉及。3D打印被賦予了第三次工業(yè)革命的大背景，目前已經(jīng)步入了飛速發(fā)展的時(shí)代，為提升中國的制造力提供一個(gè)更加寬廣的平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；模具制造；第三次工業(yè)革命；制造力

模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，在電子、汽車、電機(jī)、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中60%-80%的零部件都依靠模具成型，模具質(zhì)量的高低在很大程度上決定了產(chǎn)品質(zhì)量的高低，模具又被稱為“百業(yè)之母”，所有工業(yè)產(chǎn)品莫不依賴于模具才得以大批量生產(chǎn)。CNC加工是在制造模具時(shí)最常用的技術(shù)。雖然它能夠提供高度可靠的結(jié)果，但是非常昂貴而且浪費(fèi)時(shí)間。在這樣一個(gè)新形勢(shì)下3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它具有的節(jié)省材料、快速成型、精準(zhǔn)制造等優(yōu)點(diǎn)使得其在模具制造中逐步興起。

1.我國模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀

我國目前已成為世界上凈出口模具最多的國家，雖然能生產(chǎn)大型多工位級(jí)進(jìn)模、精密沖壓模具、大型多型腔精密注塑模、大型汽車覆蓋件等模具，但是總體技術(shù)水平不高，與國外發(fā)達(dá)國家相比仍然有較大差距。

1.1模具壽命低

影響模具壽命的因素較多，其中模具材料是重要因素，由于我國模具鋼品種少、質(zhì)量低、性能差，大多數(shù)模具鋼是上世紀(jì)70-80年代研制的，種種原因，真正使用的量較少，導(dǎo)致模具壽命低。比如國外硅鋼片沖模總使用壽命為500萬次以上，而國內(nèi)一般為50-60萬次，最高只達(dá)到150萬次。國外熱鍛模使用壽命為50萬次，國內(nèi)只有3-5萬次。

1.2生產(chǎn)周期長(zhǎng)

我國模具鋼市場(chǎng)80%左右是黑皮圓棒料，品種單一。扁鋼、精料、經(jīng)過預(yù)硬化的材料和制品以及標(biāo)準(zhǔn)件在市場(chǎng)上極少見，精料化、制品化程度低。模具制造廠通常將圓棒料改鍛成扁鋼或模塊，絕大多數(shù)采用自由鍛，很少采用模鍛和三鐓三拔的工藝。因此鍛件的內(nèi)在質(zhì)量較差，外形尺寸偏大，造成加工余量大，所以國內(nèi)模具鋼利用率低（只有50%左右），影響模具制造周期。

1.3新材料推廣宣傳力度不夠

國內(nèi)常用的模具鋼基本上是從20世紀(jì)50年代初沿用下來的老式鋼材，許多生產(chǎn)企業(yè)長(zhǎng)久以來只知道常用的幾種鋼，生產(chǎn)工藝落后，技術(shù)水平低下。

2.我國3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國3D印技術(shù)的研究工作起步于20世紀(jì)90年代初，最早進(jìn)行3D打印技術(shù)研究的科研機(jī)構(gòu)包括華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、上海復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成型有限公司等。這些科研機(jī)構(gòu)早期在各成型工藝和成型設(shè)備的研究和開發(fā)方面各有側(cè)重，也取得了許多重要成果。如南京航空航天大學(xué)研制的RAP-I型激光燒結(jié)快快速成型系統(tǒng)、北京隆源自動(dòng)成型有限公司開發(fā)的AFS-300激光快速成型的商品化設(shè)備等。

近年來在國家科學(xué)技術(shù)部及省市有關(guān)部門的支持下，我國已經(jīng)在深圳、天津、上海、西安、重慶等地建立了一批向企業(yè)提供3D打印技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu)，也涌現(xiàn)出了一大批市場(chǎng)化的民營公司投資的3D打印服務(wù)機(jī)構(gòu)并開始起到了積極的作用，推動(dòng)了3D打印技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用。目前3D打印市場(chǎng)已經(jīng)度過了啟蒙期，正處于快速發(fā)展的階段。但是也面臨著創(chuàng)新升級(jí)的瓶頸。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的3D打印還停留在概念層面，暫無成熟的營利模式。以3D為主業(yè)的上市公司數(shù)量很少，規(guī)模很??；從應(yīng)用層面來講低端運(yùn)用已趨于飽和，工業(yè)級(jí)則由于成本高、技術(shù)欠缺等問題，市場(chǎng)比僅占20%～30%。近幾年隨著國家相關(guān)政策的出臺(tái)，在國家十三五規(guī)劃和傾向高新尖產(chǎn)業(yè)方針的背景下，3D打印將會(huì)迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇。

3.3D打印技術(shù)在模具設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

3D打印一個(gè)的一個(gè)非常有前途的應(yīng)用就是在模具上直接生產(chǎn)。比如成型（吹塑、LSR、RTV、EPS、注塑等）、鑄模（熔模、砂模等）、機(jī)械加工、裝配和檢驗(yàn)、機(jī)器人末端執(zhí)行器等環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)模具制造過程相比3D打印模具擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

3.1節(jié)省模具生產(chǎn)周期

3D打印可以自動(dòng)、快速、直接和比較精確地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。它能夠在數(shù)小時(shí)內(nèi)成形，讓設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)了從平面圖到實(shí)體的飛躍。在以往，由于考慮到還需要投入大量資金制造新的模具，公司有時(shí)會(huì)選擇推遲或放棄產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更新。通過降低模具的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，以及使現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工具能夠快速更新，3D打印使企業(yè)能夠承受得起模具更加頻繁的更換和改善。它能夠使模具設(shè)計(jì)周期跟得產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的步伐。成為企業(yè)創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)源，促進(jìn)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

3.2節(jié)約了制造成本

如果說當(dāng)下金屬3D打印的成本要高于傳統(tǒng)的金屬制造工藝成本，那么成本的削減在塑料制品領(lǐng)域更容易實(shí)現(xiàn)。金屬3D打印的模具在一些小的、不連續(xù)的系列終端產(chǎn)品生產(chǎn)上具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，或者針對(duì)某些特定的幾何形狀更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。尤其是當(dāng)使用的材料非常昂貴，且傳統(tǒng)的模具制造材料報(bào)廢率很高的情況下，3D打印具有成本優(yōu)勢(shì)。此外，3D打印在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)制造出精確模具的能力也會(huì)對(duì)制造流程和利潤產(chǎn)生積極的影響。尤其是當(dāng)生產(chǎn)停機(jī)或模具庫存十分昂貴的時(shí)候。3D打印的靈活性使工程師能夠同時(shí)嘗試無數(shù)次的迭代，并可以減少因模具設(shè)計(jì)修改引起的前期成本。

3.3提高了精準(zhǔn)制造能力

通常，金屬3D打印的特殊冶金方式能夠改善金屬微觀結(jié)構(gòu)并能產(chǎn)生完全致密的打印部件，與那些鍛造或鑄造的材料相比，其機(jī)械和物理性能一樣或更好。增材制造為工程師帶來了無限的選擇以改進(jìn)模具的設(shè)計(jì)。當(dāng)目標(biāo)部件由幾個(gè)子部件組成時(shí)，3D打印具有整合設(shè)計(jì)，并減少零部件數(shù)量的能力。這樣就簡(jiǎn)化了產(chǎn)品組裝過程，并減少了公差。此外，它能夠整合復(fù)雜的產(chǎn)品功能，使高功能性的終端產(chǎn)品制造速度更快、產(chǎn)品缺陷更少。例如，注塑件的總體質(zhì)量要受到注入材料和流經(jīng)工裝夾具的冷卻流體之間熱傳遞狀況的影響。如果用傳統(tǒng)技術(shù)來制造的話，引導(dǎo)冷卻材料的通道通常是直的，從而在模制部件中產(chǎn)生較慢的和不均勻的冷卻效果。而3D打印可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的冷卻通道，以確保實(shí)現(xiàn)隨形的冷卻，更加優(yōu)化且均勻，最終導(dǎo)致更高質(zhì)量的零件和較低的廢品率。此外，更快的除熱顯著減少了注塑的周期，因?yàn)橐话銇碚f冷卻時(shí)間最高可占整個(gè)注塑周期的70%。

3.4為產(chǎn)品提供了更多的可能性

3D打印不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機(jī)床或任何模具，就能直接把計(jì)算機(jī)的任何形狀的三維CAD圖形生成實(shí)物產(chǎn)品。而且隨著材料的種類日益增多，功能也從傳統(tǒng)均質(zhì)材料到非均質(zhì)材料。未來3D打印不僅可以打印種類繁多的均質(zhì)材料也可以打印功能各異的非均質(zhì)材料，如功能梯度材料等。相信隨著科技的進(jìn)步和國家政策的支持3D打印將會(huì)在多元化的領(lǐng)域得到更進(jìn)一步的發(fā)展。