零部件模具設(shè)計(jì)制造業(yè)中的3D打印技術(shù)研究

譚振　趙中梁　黃振浩

摘要：現(xiàn)如今，在機(jī)械零部件模具設(shè)計(jì)制造行業(yè)，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展正在逐步改變著金屬功能零部件的制造過(guò)程，應(yīng)用3D打印技術(shù)可以極大程度的提高工作效率，節(jié)省成本的同時(shí)也極大的解放了勞動(dòng)力和各項(xiàng)成本，因此，本文將淺談3D打印技術(shù)在零部件模具制造中的應(yīng)用，以期促進(jìn)零部件制造行業(yè)向更好地方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);零部件;模具制造;應(yīng)用

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0144-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的日益成熟與科技發(fā)展對(duì)材料的不斷需求，無(wú)論是在生產(chǎn)技術(shù)還是在工業(yè)發(fā)展方面，從工廠中的鋼鐵鑄造到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件鑄造都離不開(kāi)模具的制造。模具作為一種工藝裝備，利用快速成形技術(shù)直接制造金屬功能零部件模具將會(huì)成為主要發(fā)展方向。而隨著工業(yè)產(chǎn)品不斷的更新?lián)Q代及3D打印技術(shù)的日益成熟，我國(guó)在零部件模具制造方面如何在較短的時(shí)間內(nèi)制造出高水平的模具，如何有效地提高模具的加工制造效率將成為研究熱點(diǎn)。

1 3D打印技術(shù)相關(guān)概述

3D打印技術(shù)屬于增材制造領(lǐng)域，主要是依據(jù)計(jì)算機(jī)上所生成的三維模型為基礎(chǔ)，在軟件的作用下將三維的模型離散為若干層平面切片，接著在數(shù)控成型系統(tǒng)的作用下將一些金屬、陶瓷等材料以粉末狀的形式進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)，最終形成所要生產(chǎn)產(chǎn)品的疊加成型[1]。3D打印技術(shù)作為21世紀(jì)的一種革命性技術(shù)，不僅能縮短研發(fā)、生產(chǎn)周期，縮減各項(xiàng)成本，還以其具有可自由成型和材料利用率高等特點(diǎn)，有效兼顧了金屬零部件產(chǎn)品的制造成本和使用價(jià)值，目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的許多領(lǐng)域。3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)模具快速制造的方式包括直接制模法和間接制模法，直接制模法可以直接制造模具零部件，是3D打印技術(shù)在模具行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)先發(fā)展方向[2]。在模具行業(yè)，3D打印技術(shù)在零部件模具制造中不僅能夠有效解決傳統(tǒng)方法所遇到的復(fù)雜零部件難以加工等技術(shù)難題，還能快速響應(yīng)制造需求。

零部件模具在各種工業(yè)制造的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造等方面扮演著十分重要的角色。3D打印技術(shù)的作用逐漸凸顯，促進(jìn)了零部件模具制造行業(yè)的健康發(fā)展。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于零部件模具領(lǐng)域，還能利用其超強(qiáng)的復(fù)雜構(gòu)建能力實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破[3]。3D打印是一類(lèi)制造技術(shù)的總稱(chēng)，該項(xiàng)技術(shù)的工作原理主要包括兩個(gè)方面，與傳統(tǒng)制造業(yè)所采用的“減材料制造技術(shù)”相反，它使用的是“加材料制造技術(shù)”。就目前來(lái)說(shuō)3D打印技術(shù)主要包括SLA（光固化法）、FDM（熔融沉積法）、SLS（立體光刻法）、3DP（噴墨沉積法）、LOM（分層實(shí)體制造法）等[4]。這些技術(shù)首先應(yīng)用了三維成形原理;其次，這些技術(shù)還應(yīng)用了熔融固化技術(shù)，工作人員首先上傳三維實(shí)體模型的所有數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)打印路線，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在需要打印的平面上剖面噴射操作，等待凝固，然后冷卻溶解后的材料，使其形成三維實(shí)體剖面薄片。最后，保證打印效果，調(diào)整操作臺(tái)高度，完善打印細(xì)節(jié)。

在機(jī)械零部件模具設(shè)計(jì)制造行業(yè)，3D打印與傳統(tǒng)的工藝在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成型的過(guò)程具有本質(zhì)區(qū)別，在以往的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，需傳統(tǒng)的模具、夾具和機(jī)床，產(chǎn)生大量廢料，而3D打印技術(shù)僅利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上，可快速而精確地制造出各種復(fù)雜的零件，其設(shè)計(jì)制造周期被大大縮短，且產(chǎn)生極少的廢料，從而縮短了整個(gè)機(jī)械零部件開(kāi)發(fā)的周期，有效縮短了加工周期，成為創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造的一種方法。3D打印技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)單件小批量復(fù)雜形狀產(chǎn)品的快速制造，由于考慮使用新模具會(huì)產(chǎn)生大量的資金成本消耗，在非批量化生產(chǎn)及定制化生產(chǎn)中具有明顯的成本和效率優(yōu)勢(shì)。很多機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)或許會(huì)旋轉(zhuǎn)推遲模具的開(kāi)發(fā)或者放棄模具的更新，而由于3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，它能夠使模具設(shè)計(jì)周期跟得上產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的步伐。

根據(jù)使用材料的不同3D打印技術(shù)可以分成使用金屬材料的3D打印和使用非金屬材料的3D打印技術(shù)，這些材料的狀態(tài)也有不同，其中包括液態(tài)、粉末狀以及固態(tài)片狀的區(qū)別。3D打印技術(shù)根據(jù)制造過(guò)程中熱源的不同，可分為包括電子束、激光束、等離子以及離子束等高能束建造方式或者是一般熱源的塑造方式包括光固化、噴涂粘結(jié)、熔融沉積等方式。在這些3D打印的建造方法中有很多方法都非常的流行。

2 3D打印技術(shù)在零件加工中的優(yōu)勢(shì)

2.1“逐層疊加”的原則

3D打印技術(shù)其在進(jìn)行零件加工時(shí)采用的是“逐層疊加”的原則，3D技術(shù)的使用能夠在很大程度上減少材料的浪費(fèi)，從而降低零件生產(chǎn)的成本，提高材料的利用效率，縮短加工周期。傳統(tǒng)的模具制造過(guò)程中，所需的人力、物力和財(cái)力都非常多，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。在產(chǎn)品量少、復(fù)雜和個(gè)性化較強(qiáng)時(shí)，使用3D打印技術(shù)發(fā)揮其創(chuàng)新活動(dòng)蓬勃發(fā)展，將金屬零部件的傳統(tǒng)成形方式與3D打印直接制造方式結(jié)合起來(lái)，將增材工藝與數(shù)字化制造技術(shù)結(jié)合起來(lái)，推出商業(yè)化設(shè)備，進(jìn)一步深化基礎(chǔ)理論體系，快速開(kāi)發(fā)，擴(kuò)大3D打印技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用空間。

零部件模型制造是工業(yè)體系中占比最大、應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品類(lèi)型，傳統(tǒng)制造模式對(duì)模具進(jìn)行3D軟件設(shè)計(jì)，之后修正模型，分析模型，確定分型線和進(jìn)料點(diǎn);最后讓客戶確認(rèn)設(shè)計(jì)好的模具再開(kāi)始生成圖紙，設(shè)計(jì)加工流程和工藝，這樣的過(guò)程繁瑣而復(fù)雜，只有使用大規(guī)模生產(chǎn)線才可以降低生產(chǎn)成本。如果真正將3D打印發(fā)展成為一種可以工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)門(mén)類(lèi)，充分發(fā)揮其成自由形度高、用材范圍廣、制件性能優(yōu)異及制造環(huán)節(jié)少的優(yōu)勢(shì)，很好地契合金屬零部件產(chǎn)品的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用多模式的組合方式，就可以有效兼顧金屬零部件產(chǎn)品的制造成本和使用價(jià)值。組合制造方式可以在一定程度上降低3D打印的成本區(qū)間，克服3D打印技術(shù)上包括難成形材料的傳統(tǒng)制造局限，為零部件模型的增材制造開(kāi)辟了一條新的途徑[6]。

2.2 力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)突出

直接制造金屬零部件的3D打印技術(shù)，除了用于直接制造注射模，還可用于直接制造壓鑄、擠出、熱沖壓等其他零部件模具，充分發(fā)揮了金屬熔體在遠(yuǎn)離平衡態(tài)凝固過(guò)程中晶粒細(xì)化、溶質(zhì)偏析傾向小的作用，通過(guò)分析可知SLM工藝、SLS工藝和DMLS工藝都可以用來(lái)制造零部件模具，可獲得細(xì)密均勻的基體組織，并使金屬零部件呈現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。此外，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)零件整體加工，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念中的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以通過(guò)3D打印的自由成形能力得到充分發(fā)揮，整個(gè)制造過(guò)程與傳統(tǒng)制造相比較為簡(jiǎn)短，可以極大提高金屬制件的輕量化水平。3D打印設(shè)備操作簡(jiǎn)便且自動(dòng)化程度高，這些優(yōu)勢(shì)的協(xié)同作用為其在可靠性零部件模型制造上獲得了大量應(yīng)用。

2.3 應(yīng)用領(lǐng)域廣

此外，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷升級(jí)，模具設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)字化信息直接傳至3D打印設(shè)備直接制造金屬零部件，而隨著金屬粉材牌號(hào)、規(guī)格的不斷擴(kuò)展和設(shè)備核心器件的價(jià)格持續(xù)降低，3D打印技術(shù)的應(yīng)用成本也不斷降低。未來(lái)，不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)程零部件模具制造民用高端裝備產(chǎn)品，而且可實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同設(shè)計(jì)制造，提高模具設(shè)計(jì)效率，還將會(huì)為選擇性激光熔化技術(shù)、激光立體成形技術(shù)提供新的應(yīng)用空間。

3 3D打印現(xiàn)存問(wèn)題及應(yīng)對(duì)策略

3.1 3D打印現(xiàn)存的技術(shù)問(wèn)題

3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、絲化、粉末化，在進(jìn)行加工時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些懸空區(qū)，打印后又能重新結(jié)合起來(lái)。對(duì)金屬粉末而言，材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動(dòng)性等性能的要求會(huì)更高，這樣如果加工工藝參數(shù)設(shè)置不合理就有可能導(dǎo)致模型產(chǎn)生斜面，以往的機(jī)械制造工作存在設(shè)計(jì)理念落后的弊端，3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)就是材料研制難度大、評(píng)價(jià)周期長(zhǎng)，也是核心問(wèn)題所在。金屬粉末原料如鈦合金和高溫合金，高規(guī)格的原料基本只能依靠進(jìn)口解決無(wú)法滿足人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、外觀等方面的高要求且價(jià)格高、周期長(zhǎng)，一定程度上限制了企業(yè)的發(fā)展步伐。這就需轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，減少臺(tái)階現(xiàn)象的出現(xiàn)，全面提升加工產(chǎn)品的穩(wěn)定性與集成度，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整分層厚度，幫助企業(yè)用最小成本創(chuàng)造更大的效益。

舉例來(lái)說(shuō)，零部件模型對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求較高，在完成零件加工工藝方向之后，如果使用傳統(tǒng)加工方式，不僅難度大，進(jìn)行打印時(shí)還需要對(duì)所設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)效益也難以保障。減少打印支撐是有效地解決措施，3D打印技術(shù)只需幾臺(tái)設(shè)備與幾個(gè)零部件便能完成所有加工任務(wù)，通過(guò)減少設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的懸臂結(jié)構(gòu)，零部件的質(zhì)量與穩(wěn)定性較之傳統(tǒng)方法也有大幅度提升，這樣可以在很大程度上縮短打印時(shí)間，能夠提高3D打印技術(shù)，對(duì)所加工零件的尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，縮短打印時(shí)間，同時(shí)推動(dòng)機(jī)械制造行業(yè)的快速發(fā)展。

3.2 3D打印行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)欠缺

3D打印欠缺行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，3D打印零部件模型由于和傳統(tǒng)材料不同，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能也不同，雖然3D打印技術(shù)可以制造形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具零件，但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并不適用于這類(lèi)材料，而且在打印過(guò)程中產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)，將影響模具零件的制造精度和表面質(zhì)量，因此，需要進(jìn)行研究并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬零部件成形技術(shù)，3D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中占有舉足輕重的地位，由于傳統(tǒng)制造方法中高昂的制造成本使普通民用領(lǐng)域望而卻步，所以需要對(duì)3D打印技術(shù)予以重視，加大研究力度。而且3D打印技術(shù)本身也是一個(gè)廣泛的技術(shù)門(mén)類(lèi)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，可以讓相對(duì)成熟的分項(xiàng)技術(shù)通過(guò)改型和轉(zhuǎn)化方式向現(xiàn)有工業(yè)體系融合，將其與實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)工作相結(jié)合，持續(xù)開(kāi)發(fā)各種新型的高性?xún)r(jià)比的3D打印技術(shù)模式，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品精度、強(qiáng)度、剛度及美觀度等多方面的高要求。未來(lái)，通過(guò)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)W者和工程應(yīng)用領(lǐng)域從業(yè)者的深入?yún)f(xié)作，3D打印技術(shù)能還能轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，全面提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率。在新工業(yè)體系下形成多層面、多維度的應(yīng)用格局，因此，研究該項(xiàng)技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值與參考價(jià)值。

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