3D打印技術(shù)在模具中的應(yīng)用

鄭瑩

摘 要：3D打印技術(shù)作為一種新興的增材制造技術(shù)，在很多領(lǐng)域都有運(yùn)用，其模具領(lǐng)域也有一定的地位。文本首先簡(jiǎn)要介紹了3D打印技術(shù)以及其工作流程在模具領(lǐng)域的應(yīng)用研究并提出了3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)，最后簡(jiǎn)要闡述了3D打印技術(shù)在模具領(lǐng)域的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 模具 制作工藝 增材制造

中圖分類號(hào)：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（a）-0110-02

1 3D打印技術(shù)

在20世紀(jì)90年代中期，3D打印才開(kāi)始出現(xiàn)，另一種說(shuō)法稱之為為“增材制造”，雖然它有近30年的歷史，但卻是在最近幾年才走進(jìn)大眾的生活中。通俗的說(shuō)，3D打印技術(shù)就是用特殊材料塑造出繪制在平面上的三維圖形的打印機(jī)。

1.1 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

1.1.1 產(chǎn)品生產(chǎn)快捷

傳統(tǒng)加工制造工業(yè)的工序復(fù)雜，生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品往往需要很多時(shí)間，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)與運(yùn)用大大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)的周期。它簡(jiǎn)化了加工制造工業(yè)的工序，尤其是在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，它可以在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)產(chǎn)品和規(guī)劃生產(chǎn)過(guò)程，完善生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，縮短了工作時(shí)間，提高了工作效率。

1.1.2 提高制造精準(zhǔn)度

3D打印技術(shù)不需要使用刀具或者其他的模具，它運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)大大提高了計(jì)算準(zhǔn)確度。這種自動(dòng)、快速、直接的方式能做到很高的精度和復(fù)雜程度，反觀傳統(tǒng)的制作技術(shù)制作不出相對(duì)復(fù)雜的制件。

1.1.3 節(jié)省材料

這種依靠計(jì)算機(jī)來(lái)精準(zhǔn)制作模具的方法無(wú)須考慮剔除邊角料，直接摒棄生產(chǎn)線，提高了材料的利用率，降低了生產(chǎn)成本。

1.2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)可以運(yùn)用到人們生活中的很多地方，各類模型制作、工藝品、家具生產(chǎn)、汽車工藝、建筑、服裝、首飾等很多范疇。雖然生活中方方面面都有它的身影，但它也并非是十全十美的，作為一種新興技術(shù)，它也受到很多因素的限制。

模具領(lǐng)域中不斷地有新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)試研，這些產(chǎn)品的制作往往工序復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，如果繼續(xù)用傳統(tǒng)制作工藝技術(shù)就有可能會(huì)影響產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的投放，造成經(jīng)濟(jì)損失。而另一方面，在模具試制與模具小批量生產(chǎn)方面，3D技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，它能夠滿足生產(chǎn)方技術(shù)、時(shí)間、成本等方面的要求。

1.3 3D打印技術(shù)的原理

現(xiàn)有基礎(chǔ)上的3D打印技術(shù)一般包括以下3種。

1.3.1 光固化成型

光固化成型就是立體光固化成型裝置，它是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，具有很高的成熟度，經(jīng)得起時(shí)間的檢驗(yàn)。不會(huì)用到切削工具、模具 ，它的加工速度很快，生產(chǎn)產(chǎn)品需要的時(shí)間短，遇到傳統(tǒng)制作技術(shù)無(wú)法解決的外型復(fù)雜的問(wèn)題都可以使用這種技術(shù)加工制作。最重要的它通過(guò)使用計(jì)算機(jī)來(lái)仿真計(jì)算，聯(lián)機(jī)操作，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證校對(duì)，這對(duì)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是很好的保障。但事物都有正反兩方面，光固化成型需要的成本較高，需要良好的工作環(huán)境，而且使用這種技術(shù)加工而成的產(chǎn)品大多是樹(shù)脂類，保存時(shí)間比較短，最重要的是這種技術(shù)具有難操作性，難以為大多數(shù)人所使用。

1.3.2 三維粉末粘結(jié)

這種技術(shù)使用的成本很低，粉末成型的速度也相對(duì)較快，還支持制作彩色原型，同時(shí)在制作的時(shí)候沒(méi)被噴射粘結(jié)劑的地方給產(chǎn)品形成起到了支撐作用，產(chǎn)品制作結(jié)束后也容易清理。三維粉末粘結(jié)技術(shù)在模具領(lǐng)域比較適用于小件的成型產(chǎn)品，概念模型、彩色模型以及數(shù)學(xué)模型都可以適用，甚至在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還可以用于加工顱骨模型。

1.3.3 熔融沉積快速成型

1988年Scott Crumo提出這種思想，這種技術(shù)一般需要熱塑性材料，系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易，不需要過(guò)多的維護(hù)設(shè)施，系統(tǒng)可以自動(dòng)控制校準(zhǔn)。這種技術(shù)具有很高的精準(zhǔn)性，可以適用于任意復(fù)雜的零件，它自身的裝置也容易分離清。這種具有很多優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)也有著不可避免的不足之處，它不適用于大型產(chǎn)品生產(chǎn)，與光固化成型技術(shù)相比它生產(chǎn)出的成型產(chǎn)品表面容易具有清晰條紋，需要后期花時(shí)間處理。

2 3D打印的工作流程

2.1 成型前的處理

2.1.1 設(shè)計(jì)模型

模具制造首先需要的就是確定好模具的外型，確定模具外形就要根據(jù)要求開(kāi)始設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)模型對(duì)于模具制造來(lái)說(shuō)十分重要，它不僅是對(duì)產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)，更多的是對(duì)制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題的預(yù)計(jì)，提前做出的考慮。比如說(shuō)模具制作中的隨形冷卻注塑模具，不光要考慮到冷卻的效果，更重要的是考慮到冷卻效果兼顧到冷卻質(zhì)量和效率，所以要提前估算好冷卻通道排布。

2.1.2 添加支撐

3D打印中需要將成型產(chǎn)品保證與基板的契合，在使用三維粉末粘結(jié)技術(shù)時(shí)，鋪粉裝置容易卡住，如果產(chǎn)品發(fā)生偏移或者歪斜都會(huì)影響加工效果，甚至對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損害。另一方面，這也是為了確保產(chǎn)品的各項(xiàng)特征參數(shù)，以防出現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)的信息丟失。不同的加工設(shè)備所需要的支撐也不相同，一般分為兩類：底部較為平直部分比較多的模具工件就需要使用交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；底部平直部分較少或?yàn)閳A柱體的模具工件就使用片狀的支撐。

2.1.3 確定參數(shù)

在開(kāi)始打印前必須要確認(rèn)工件的各項(xiàng)參數(shù)，包括空間位置、鋪粉厚度等。只有確保各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確無(wú)誤才能夠在后面的打印中做到萬(wàn)無(wú)一失。

2.2 成型后處理

2.2.1 取件

打印結(jié)束后，將淹沒(méi)在粉料里的產(chǎn)品取出來(lái)時(shí)需要注意：清楚廢料防止廢料污染，使用毛刷進(jìn)行初步清理，產(chǎn)品表面的粉料回收之后可循環(huán)使用。

2.2.2 去支撐

去除支撐一般有兩種方法：支撐較繁雜，產(chǎn)品較大時(shí)用線切割的方式；支撐較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品小件的時(shí)候可以采用鑿子直接取件，以達(dá)到節(jié)省時(shí)間的目的。

2.2.3 清粉

模具的冷卻通道部分一般有很多滯留的粉料，這些比較難以清理，可以采用毛刷、吹風(fēng)機(jī)等工具直接清粉。

2.2.4 噴砂

模具工件清粉后仍有部分沾粘的粉料清除不干凈，噴砂可以覆蓋在上面，提高工件的光亮度和精美程度。另外，噴砂還可以消除熱應(yīng)力，這可以防止后來(lái)的使用過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂變形的現(xiàn)象。

3 3D打印技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

（1）當(dāng)前能夠提供3D打印機(jī)使用的材料只有石膏、無(wú)機(jī)粉、塑料、光敏樹(shù)脂等，這些材料十分單一，主要是塑料，很少有能適合3D打印機(jī)的材料。

（2）3D打印面臨的一個(gè)重要問(wèn)題就是它需要CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）支撐，它是3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)，然而對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，學(xué)會(huì)CAD不是容易的事情，它需要通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，不是一般的技術(shù)人員可以勝任3D打印中CAD的專業(yè)人士操作。

（3）3D打印的成本較高，它所需要耗費(fèi)的成本最終與它的零售價(jià)格差不多，不能走規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，它只能適用于少量或小批量的生產(chǎn)，不能投入大規(guī)模生產(chǎn)中去，即使它在技術(shù)方面有很大的優(yōu)勢(shì)。

（4）3D打印可以生產(chǎn)的工件大小受到限制，如今3D打印設(shè)備能打印的最大尺寸也僅僅為1.8m×1.8m，這并不能滿足其他大型工件的需求。

4 3D打印技術(shù)在模具的發(fā)展前景

從上文中可以看到3D打印技術(shù)確實(shí)有著傳統(tǒng)制作技術(shù)所不能比的優(yōu)點(diǎn)，例如快捷、方便、應(yīng)用廣泛。但相應(yīng)的，3D打印技術(shù)還在摸索中，甚至很多的研究還在研究室里，所以它的材料、價(jià)格、尺寸等都有一定的缺陷，這都需要不斷改進(jìn)。目前3D打印技術(shù)的運(yùn)用還大多停留在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上，說(shuō)以3D打印技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)制作技術(shù)還為時(shí)尚早，但它給模具制造帶來(lái)的改變和新氣象還是不容忽視的，3D打印技術(shù)全面引入模具制作中也是一定的，只不過(guò)還需要不斷摸索與加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦培凡，蘇賀，李慧蕓.3D打印在容器模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（8）：41.

[2] 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.