淺談FDM打印大型模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

趙 龍，馬 睿，黃部東

（共享模具有限責(zé)任公司寧夏銀川 750021）

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中使用極其廣泛的工藝裝備，是衡量一個(gè)國家制造水平高低的重要標(biāo)志[1]。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)模具提出了更高的要求，質(zhì)量更好，結(jié)構(gòu)更輕，綠色環(huán)保等要求使得模具在3D打印技術(shù)中找到了新的突破點(diǎn)——FDM.FDM簡稱熔融沉積技術(shù)，是一種層層堆積材料成型的3D打印技術(shù)，因其不需要昂貴的激光技術(shù)，成本低，被稱為最有前景的3D打印技術(shù)[2]。目前，F(xiàn)DM打印在模具行業(yè)已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在FDM工藝基礎(chǔ)上，模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也隨著技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了新的變革。高質(zhì)量、高效率、低成本、綠色環(huán)保和可回收是新型模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 FDM基本工作原理

FDM即熔融沉積成型，通俗來講就是利用高溫將材料熔化成液態(tài)，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間排列成立體實(shí)物[3～4]?；竟ぷ髟砣鐖D1所示，把塑性材料加入一個(gè)有一定空間的型腔中，通過加熱裝置對(duì)型腔加熱，同時(shí)通過機(jī)械的旋轉(zhuǎn)或者擠壓形成熔融狀態(tài)的塑性材料，通過打印頭擠出，打印裝置按照程序?qū)崿F(xiàn)X、Y方向的移動(dòng)，完成模具的一層輪廓后提升一定的高度Z，再用同樣的方法打印第二層輪廓、第三層輪廓等，最后形成完整的零件。

圖1 FDM打印基本工作原理

2 FDM打印模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FDM打印可以簡單的分為桌面機(jī)和工業(yè)機(jī)。桌面機(jī)一般都采用絲狀打印，擠出頭直徑在0.4 mm～0.7 mm左右，層厚在0.1 mm～0.4 mm之間，因此打印精度比較高，但是效率特別慢，最高只能達(dá)到200 g/h.工業(yè)機(jī)則一般采用顆粒狀熔融擠出打印，由于擠出頭比較粗，在4 mm～10 mm左右，層厚在1 mm～4 mm左右，因此打印精度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于桌面機(jī)，但是打印效率在2 kg/～20 kg/h，甚至可以更高。從工業(yè)角度來說，可以優(yōu)先選擇大擠出頭的工業(yè)機(jī)，同時(shí)采用增材減材一體機(jī)來解決打印精度低的問題，目前這一工業(yè)FDM打印機(jī)已經(jīng)在模具制造上得到了很好的實(shí)踐和應(yīng)用。FDM工業(yè)打印機(jī)可以適應(yīng)任何熱塑性材料。目前，PLA材料以其良好的收縮率被廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有鑄造用模具有木模、金屬模和射芯模、消失模等。金屬模和射芯模都是以木模為基礎(chǔ)制造的，周期很長，適合大批量生產(chǎn)，消失模的使用壽命只有一次。木模是模具的基礎(chǔ)，大概占據(jù)鑄造用模具市場(chǎng)的90%左右。木模需要對(duì)整體模型進(jìn)行分塊，由于木模由固定厚度的板材拼接而成，因此還需要對(duì)具體模塊進(jìn)行分層，設(shè)計(jì)流程麻煩，制造過程復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期和制造周期相對(duì)來說都比較長。采用FDM打印模具后，不需要再對(duì)具體模塊進(jìn)行分層，可實(shí)現(xiàn)整體打印，將設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)周期同時(shí)縮短30%～50%，同時(shí)也降低了對(duì)操作人員的技能等級(jí)的要求，基本實(shí)現(xiàn)無人化和自動(dòng)化。FDM模具因?yàn)槠涓咝?、低成本、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，在行業(yè)開始廣泛應(yīng)用。

FDM打印模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與FDM的成型方法息息相關(guān)，由于FDM本身為線條狀結(jié)構(gòu)拼接而成，優(yōu)點(diǎn)在于可以將支撐和本體同時(shí)打印，最后將支撐去除保留本體，隨型成型，降低了工藝員的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了新的要求和想法。經(jīng)過總結(jié)實(shí)踐，F(xiàn)DM打印設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)包括實(shí)體打印模型、網(wǎng)格打印模型、筋板打印模型。

2.1 實(shí)體打印模型

實(shí)體打印模型可參見圖2，主要是針對(duì)有試驗(yàn)結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品，此類產(chǎn)品的特點(diǎn)是形狀非常復(fù)雜，壁薄，設(shè)計(jì)人員需要利用此結(jié)構(gòu)完成強(qiáng)度等試驗(yàn)，缺點(diǎn)在于浪費(fèi)材料。

圖2 實(shí)體打印模型

2.2 網(wǎng)格打印模型

網(wǎng)格打印模型如圖3所示，是FDM模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最常用的一種模型。此類模型通過底部、頂部、側(cè)邊實(shí)體，中間網(wǎng)格的形式來完成，優(yōu)點(diǎn)在于為產(chǎn)品內(nèi)部提供支撐，增加產(chǎn)品的強(qiáng)度。經(jīng)檢驗(yàn)，45°交叉網(wǎng)格形式是最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為網(wǎng)格形式，減輕產(chǎn)品本身的重量，當(dāng)網(wǎng)格寬度達(dá)到擠出寬度的10倍的時(shí)候，產(chǎn)品的重量僅為實(shí)體重量的50%～60%.此類產(chǎn)品的缺點(diǎn)在于加工的時(shí)候容易由于上層塌陷導(dǎo)致加工缺陷，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的報(bào)廢，此類問題可通過吹風(fēng)冷卻、降低打印速度等方法來解決。

圖3 網(wǎng)格打印模型

2.3 筋板打印模型

筋板打印模型如圖4所示，是另一種FDM模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中典型的方法。此類模型不同于網(wǎng)格模型的地方在于中間網(wǎng)格支撐的部分更改為拉筋結(jié)構(gòu)，在打印模型時(shí)提前打印封頂用的板材，待到達(dá)頂部時(shí)蓋頂板，繼續(xù)打印頂層直至完成整體打印。此類模型的優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度高，產(chǎn)品重量為實(shí)體打印重量的50%～60%，與網(wǎng)格模型接近。其缺點(diǎn)在于容易產(chǎn)生翹邊。

圖4 筋板打印模型

在實(shí)際的打印過程中，需要根據(jù)模具產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)，權(quán)衡分析以后選擇適合的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如果需要，可以采用組合形式。

3 FDM打印模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)流程

目前，F(xiàn)DM打印模具設(shè)計(jì)基于虛擬制造技術(shù)和數(shù)字化制造設(shè)備進(jìn)行。在介紹顧客圖紙或者有新的想法的時(shí)候，首先會(huì)利用三維建模軟件完成產(chǎn)品的三維建模，以便于設(shè)計(jì)人員和制造人員更為直觀的理解設(shè)計(jì)目的，判別設(shè)計(jì)方案的合理性。由于FDM產(chǎn)品在打印完是需要加工的，因此還需要在設(shè)計(jì)的三維模型上進(jìn)行貼量，以保證加工后的產(chǎn)品尺寸和外觀。

圖5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)流程

制造者在接受到設(shè)計(jì)者的三維模型后，對(duì)產(chǎn)品的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括層厚、線寬、支撐、底層、頂層，內(nèi)部等。然后切片生成G代碼，最后導(dǎo)出，進(jìn)入打印序。最終打印成型的產(chǎn)品即是顧客要求的模型或者產(chǎn)品形狀，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相符合。圖5為FDM打印模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)流程。

4 結(jié) 語

目前，F(xiàn)DM打印鑄造用模具已投入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段，可替代50%～60%的木模和金屬模，相對(duì)來說成本低，材料種類廣泛，零件復(fù)雜程度適中，設(shè)備制造維修成本低，使用壽命是木模的2倍～3倍，重量輕，綠色環(huán)保，可回收。隨著3D打印的進(jìn)一步發(fā)展，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將更為重要，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)模具行業(yè)的進(jìn)步。

［1］ 李仁杰.基于快速成形技術(shù)的快速模具制造技術(shù)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2005.

［2］ 王東立，梁宏斌.FDM在模具制造中精度及強(qiáng)度的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（1）：112-114.

［3］ 鄒國林.熔融沉積制造精度和快速模具制造技術(shù)的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2002.

［4］ 杜文軍，劉軼，杜銀學(xué)，王軍偉.大型FDM三維打印機(jī)的研制［J］.金屬加工（熱加工），2016（5）：50-52.