模具制造中3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究

肖婷 劉堅(jiān)

摘要：3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，給復(fù)雜的模具制造注入了新的思路。文章綜述了在模具制造中3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，著重介紹了3D打印技術(shù)在模具制造中的優(yōu)缺點(diǎn)，最后展望了3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);模具設(shè)計(jì);工業(yè)技術(shù);智能制造

中圖分類號(hào)：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672—7053（2019）05—0154—02

Abstract ： The emergence of 3D printing technology has injected new ideas into complex mold manufacturing. This paper reviews the development status of 3D printing technology in mold manufacturing， highlights the advantages and disadvantages of 3D printing technology in mold manufacturing， and finally forecasts the development prospects of 3D printing technology in the field of mold manufacturing.Key Words ： 3D printing technology; Mold design; Industrial technology; Intelligent manufacturing

1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)又稱“增材制造”技術(shù)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、新材料技術(shù)等高技術(shù)群的新型成型技術(shù)。它是基于傳統(tǒng)的平面印刷技術(shù)，利用噴頭一層一層地將材料在平臺(tái)上進(jìn)行堆疊累積，從無(wú)到有的構(gòu)建三維實(shí)物的過(guò)程。在3D打印技術(shù)體系中，新型打印材料、打印工藝設(shè)計(jì)與控制軟件等是重要組成部分，3D打印機(jī)則更是其核心部分。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)模具制造業(yè)在生產(chǎn)周期上，操作復(fù)雜、設(shè)計(jì)靈活性、人工成本高、耗時(shí)耗力等不足之處上有了很大的改善。3D打印技術(shù)是一個(gè)技術(shù)性的進(jìn)步，同時(shí)也是一次偉大的變革，3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，比如在服裝發(fā)飾、教育領(lǐng)域、醫(yī)療保健、汽車(chē)工業(yè)制造等各行各業(yè)中，都在模具制造業(yè)中應(yīng)用的十分廣泛，讓模具制造業(yè)發(fā)展到一個(gè)新的高度，實(shí)現(xiàn)了該行業(yè)的轉(zhuǎn)型"。

3D打印技術(shù)原理：分為三個(gè)部分，第一，軟件建模：如AutoCAD或Pro/E等建模軟件，可以滿足設(shè)計(jì)建模要求。因?yàn)?D打印機(jī)完全基于我們?cè)谟?jì)算機(jī)中構(gòu)建的3D模型數(shù)據(jù)，印刷質(zhì)量在很大程度上取決于3D建模的質(zhì)量;第二，3D模型分層：該過(guò)程是將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維數(shù)據(jù)的過(guò)程。建立的3D模型沿著平面被逐層劃分為多個(gè)切片，并且每個(gè)切片記錄二維打印圖案信息。分割層數(shù)越精密，產(chǎn)品尺寸的準(zhǔn)確度就越高，越接近于原始數(shù)據(jù)。但也同樣受打印機(jī)設(shè)備與打印材料等因素的限制;第三，模型打?。和ㄟ^(guò)讀取文件中的每一分層上的圖案信息，將液體，凝膠狀、粉末狀材料甚至生物活性細(xì)胞組織以各種方式結(jié)合在一起進(jìn)行3D打印。通過(guò)積累不同形狀的分層，最終形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的三維模型。從以上可以看出，3D打印是通過(guò)根據(jù)分割的二維片材的層數(shù)逐層沉積待噴涂的材料而形成的三維產(chǎn)品。

2 我國(guó)模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)在中國(guó)發(fā)展之前，模具的主要生產(chǎn)是通過(guò)傳統(tǒng)的制造工藝方法進(jìn)行的。但是在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，模具制造業(yè)的技術(shù)水平整體不高，同其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比較差距仍然很大，對(duì)中國(guó)模具制造技術(shù)業(yè)的發(fā)展有一定的障礙。由于材料因素的限制，在我國(guó)真正能夠使用的模具在數(shù)量和壽命方面都極低。隨著時(shí)代的發(fā)展，中國(guó)的相關(guān)技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，但國(guó)內(nèi)3D打印模具制造的應(yīng)用與國(guó)外相比仍有很大差距，還存在許多影響模具制造技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題，例如在中國(guó)模具制造技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，生產(chǎn)制造周期性長(zhǎng)，新型材料推廣不足。由于幾十年大部分一直沿用老式材料，一成不變，新材料無(wú)法普及，并且新材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)研究不夠，導(dǎo)致了技術(shù)停滯不前。將3D打印技術(shù)引入到模具行業(yè)，對(duì)于它的設(shè)計(jì)和制造等都是一種趨勢(shì)，對(duì)于模具企業(yè)來(lái)說(shuō)，雖然不具備對(duì)于3D打印設(shè)備研究開(kāi)發(fā)的能力，但它們具有占據(jù)模具市場(chǎng)資源這一大優(yōu)勢(shì)，可以極大地促進(jìn)3D打印技術(shù)在未來(lái)模具中的應(yīng)用2。

模具行業(yè)被視為工業(yè)的基礎(chǔ)，與制造業(yè)關(guān)系十分密切，許多產(chǎn)品往往都依賴模具來(lái)制作成形。因此，在模具行業(yè)看來(lái)，模具本身的制備技術(shù)成熟度就顯得尤為重要?？v觀模具行業(yè)的發(fā)展，從原來(lái)的傳統(tǒng)模具制作到機(jī)械化加工制作，再到數(shù)字化媒體設(shè)計(jì)與自動(dòng)化控制的模具數(shù)控加工，使得傳統(tǒng)制作的工序在不斷減少，而模具的質(zhì)量在不斷提高。又伴隨著現(xiàn)如今一系列人工智能技術(shù)的日趨成熟，模具制造產(chǎn)業(yè)正朝著智能制造的方向蓬勃發(fā)展舊。

3 3D打印技術(shù)對(duì)于模具智能制造的優(yōu)勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的顯著提升，3D打印技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中逐漸被模具制造業(yè)應(yīng)用到模具制造中，并且直接運(yùn)用到了成型、造模、加工、檢驗(yàn)、智能機(jī)器執(zhí)行等各環(huán)節(jié)之中，其優(yōu)越性顯而易見(jiàn)。

3.1 節(jié)約模具生產(chǎn)周期時(shí)間

由于3D打印技術(shù)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，將計(jì)算機(jī)的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，在過(guò)程中省去了傳統(tǒng)加工過(guò)程中設(shè)計(jì)、修改、再設(shè)計(jì)及求證等一系列復(fù)雜的程序，大大縮短了生產(chǎn)周期，也因?yàn)橛?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有靈活性、自動(dòng)化、精度高、效率快等優(yōu)勢(shì)，可及時(shí)根據(jù)市場(chǎng)需求，調(diào)整產(chǎn)品進(jìn)行再生產(chǎn)。

3.2 降低制造成本

雖然3D打印技術(shù)目前用于金屬制造成本很高，個(gè)別材料也不允許打印，但就塑料產(chǎn)品而言，在資本投資方面相對(duì)便宜回。一些材料本身具有非常高的成本。因此，使用相對(duì)昂貴的材料用傳統(tǒng)模具制造方法將導(dǎo)致相對(duì)高的廢品率。但如果使用3D打印技術(shù)制作模具，靈活性可以幫助工程師嘗試無(wú)數(shù)的設(shè)計(jì)，可以在一定程度上降低由模具設(shè)計(jì)修改引起的前期成本的浪費(fèi)。同時(shí)，3D打印過(guò)程基于計(jì)算機(jī)軟件建模和逐層打印，與傳統(tǒng)制造方法逐層減少的過(guò)程相比，相對(duì)節(jié)省了生產(chǎn)材料的成本，并且由于3D打印過(guò)程的便利性，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的人力資源也大大減少。

3.3 提高更多可能性，加快產(chǎn)品研發(fā)

由于使用3D打印技術(shù)，可以直接生成在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的任何形狀的三維CAD圖形的實(shí)物產(chǎn)品，這樣有利于減少制造工具或任何模具的使用率。隨著我國(guó)技術(shù)水平的不斷提升，可運(yùn)用到3D打印的材料種類逐漸增加，在材料功能方面也從傳統(tǒng)到非傳統(tǒng)過(guò)渡，這有助于推進(jìn)我國(guó)3D打印技術(shù)水平向多元化方向發(fā)展，更好地為我國(guó)的工業(yè)技術(shù)層面提供良好幫助。3D打印技術(shù)改變了設(shè)計(jì)者固有的思維方式，他們會(huì)根據(jù)零件不同部位的受力承重進(jìn)行探索和思考，從而研發(fā)出更有助于技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)品。

3.4 幫助實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品定制化模式

打破過(guò)去定制化高成本、低效率的缺點(diǎn)，利用3D打印用于縮短生產(chǎn)周期，同時(shí)降低成本的能力，使企業(yè)能夠使用更多個(gè)性化的工具來(lái)支持定制部位零件的生產(chǎn)。3D打印技術(shù)是個(gè)性化定制的福音，它能夠?yàn)榻逃聵I(yè)提供個(gè)性化定制模具，例如課堂上的立體實(shí)物展示圖，能夠讓學(xué)生更加理解書(shū)上所表達(dá)的內(nèi)容;也可以為醫(yī)療事業(yè)做貢獻(xiàn)，為病人病情所需提供3D打印的個(gè)性化醫(yī)療器械，改善手術(shù)效果達(dá)到更好的治療。

4 3D打印對(duì)于模具智能制造的不足

3D打印到現(xiàn)在近幾十年間名氣很大，但并未形成產(chǎn)業(yè)化。3D打印技術(shù)作為一門(mén)很前沿的技術(shù)，可以滿足個(gè)性化、定制化、復(fù)雜高難度產(chǎn)品的需求，節(jié)約時(shí)間與成本，但不可否認(rèn)的是在現(xiàn)階段還不具備規(guī)?；?、批量化的優(yōu)勢(shì)。

4.1 材料選擇單一，并且價(jià)格較貴

模具材料性能要求較高，材料的性能對(duì)模具的使用壽命有很大影響。人們?nèi)粘Ｉ钪行枨蟮?D材料在目前來(lái)說(shuō)選擇性非常單一，特別是高溫塑料以及一些常用金屬不能被打印，而且還面臨著金屬經(jīng)過(guò)熱處理后容易出現(xiàn)打印后變形的問(wèn)題。加之國(guó)內(nèi)有能力生產(chǎn)打印材料的企業(yè)非常之少，金屬材料大多依賴進(jìn)口，目前實(shí)施規(guī)?；可a(chǎn)確實(shí)是很不現(xiàn)實(shí)。

4.2 3D打印技術(shù)的效率有待提高

由于3D打印的原理是通過(guò)層層疊加來(lái)制作產(chǎn)品，它的層數(shù)決定了它的精度，層數(shù)越多，精度越準(zhǔn)，但相反的是，層數(shù)越多，打印的速度就會(huì)呈現(xiàn)反比趨勢(shì)，相應(yīng)減慢，這就體現(xiàn)了3D打印技術(shù)原理中精度與速度的矛盾性。而且3D打印過(guò)程是逐步分層打印進(jìn)行的，逐層堆積使得模型呈現(xiàn)“階梯型”效果，當(dāng)要打印的模型存在大量曲面時(shí)，階梯效應(yīng)就很明顯，表面明顯粗糙，這樣會(huì)影響到產(chǎn)品的精度。

4.3 零件尺寸受限，大型模具難制作

由于3D打印機(jī)的設(shè)備限制因素，大型模具難以實(shí)現(xiàn)。2013年，華中科技大學(xué)成功開(kāi)發(fā)出1.2米x1.2米的金屬3D打印機(jī)，是當(dāng)時(shí)在世界上加工區(qū)域最大的打印設(shè)備。隨后，大連理工大學(xué)成功開(kāi)發(fā)出工作表面尺寸為1.8米x1.8米的激光3D打印機(jī)，在當(dāng)時(shí)引起了轟動(dòng)，其技術(shù)已經(jīng)創(chuàng)下了世界上最大的3D打印機(jī)記錄，即使這樣，這些設(shè)備還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足大型工業(yè)模具的制造需求間。

4.4傳統(tǒng)工業(yè)制造的成熟慣性很難打破

由于幾百年的傳統(tǒng)C業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)如今分工明確，設(shè)備配備齊全，每個(gè)細(xì)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，形成很大的效益鏈，也造成了巨大的慣性，這種慣性很難被打破。3D打印技術(shù)要想融入或者顛覆傳統(tǒng)，成本非常高。

5 3D打印技術(shù)在模具制造中的發(fā)展前景

3D打印技術(shù)對(duì)模具制造有很大影響，這是毋庸置疑的，但現(xiàn)代產(chǎn)品更換的速度非?？?，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)一系列工序生產(chǎn)出來(lái)，得不到消費(fèi)者認(rèn)同，沒(méi)有銷(xiāo)路，那這個(gè)產(chǎn)品按嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)是個(gè)失敗的產(chǎn)品，就會(huì)得不償失。因此，當(dāng)公司開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，他們可以首先使用計(jì)算機(jī)建模軟件在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行設(shè)計(jì)，用3D打印技術(shù)制作樣品，隨后使用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行批量處理。因?yàn)榻ＴO(shè)計(jì)具有靈活性，可重復(fù)根據(jù)需求進(jìn)行修改，這樣可以去除一些在傳統(tǒng)制作中重復(fù)繁瑣的步驟。3D打印技術(shù)在模具制造中的很大優(yōu)勢(shì)在于它縮短了生產(chǎn)周期并節(jié)省了一系列生產(chǎn)成本。此外，在3D打印一經(jīng)推出，風(fēng)頭正起時(shí)有些人誤解并認(rèn)為3D打印技術(shù)很大可能將會(huì)取代傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)，但實(shí)際上，3D打印部件的批量生產(chǎn)緩慢，后處理復(fù)雜，制造終端產(chǎn)品高。與其用3D打印取代傳統(tǒng)技術(shù)，不如將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，相互補(bǔ)充。如直接利用3D打印技術(shù)制造鑄模，再用鑄模澆注出產(chǎn)品，也是值得探討的一個(gè)方向。3D打印技術(shù)具有制造復(fù)雜零件，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，在模具設(shè)計(jì)和模具制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在接下來(lái)的30%工業(yè)產(chǎn)品將由3D打印機(jī)完成，70%的產(chǎn)品將由模具制造。

6 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)不死，模具永恒，科技的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展必備，所以技術(shù)促進(jìn)工業(yè)革命是必然發(fā)展的。而如今3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)都存在優(yōu)劣勢(shì)，無(wú)論是在硬件設(shè)備方面還是打印技術(shù)方面都還存在不足，并且傳統(tǒng)制造業(yè)歷史較長(zhǎng)，經(jīng)由多次實(shí)踐檢驗(yàn)，3D打印融入或者顛覆傳統(tǒng)都需要很大成本代價(jià)，目前進(jìn)行3D打印模具應(yīng)用研究的企業(yè)在國(guó)內(nèi)并不多，隨著未來(lái)3D打印技術(shù)的規(guī)?；⑹袌?chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于廣大模具制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，運(yùn)用3D打印制造有一個(gè)可觀的前景。進(jìn)一步研究3D打印設(shè)備，完善3D打印技術(shù)，是對(duì)日后工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的一個(gè)必要途徑。另外是否可以將3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)相結(jié)合，這亟待我們?nèi)ヌ接懲诰颉?/p>

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