淺析3D打印技術(shù)在模具設(shè)計制造領(lǐng)域的應(yīng)用

袁玉紅 張迅 鄭周青 盧開業(yè) 楊仕杰

[摘? ? ? ? ? ?要]? 介紹了3D打印技術(shù)的工作原理、3D打印工藝的分類。闡述了3D打印快速模具制造技術(shù)的先進(jìn)性，介紹了3D打印快速制模技術(shù)工程應(yīng)用及我國的一些研究狀況。推出一種把3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)的模具設(shè)計制造專業(yè)方向課程結(jié)合起來的創(chuàng)新性綜合實驗來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 3D打印技術(shù);模具設(shè)計制造技術(shù);融合

[中圖分類號]? ?TP391.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2020）09-0166-02

一、引言

“3D打印技術(shù)”是一種增材制造技術(shù)，不是用傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床進(jìn)行切削加工制造。3D打印系統(tǒng)根據(jù)零件圖紙或?qū)嵨锶鴺?biāo)掃描數(shù)據(jù)建立CAD三維模型數(shù)據(jù)，運用“離散/堆積”原理把三維模型進(jìn)行分層處理，通過打印成型設(shè)備把液體、粉末、薄片、絲狀等材料以片層累加的方式制成實物或模型的技術(shù)[1]。

與傳統(tǒng)鑄、鍛、焊、機(jī)械加工制造方式相比，3D打印技術(shù)以開發(fā)周期短、節(jié)省材料、制造復(fù)雜形狀在制造業(yè)引起了一場工業(yè)革命。3D打印技術(shù)滿足了當(dāng)前個性化、瞬息萬變的市場需求，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到機(jī)械、電子、汽車、航空、航天等領(lǐng)域。目前應(yīng)用比較廣泛的3D打印成型工藝有：選擇性激光燒結(jié)（SLS）、立體光固化成型（SLA）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、分層物體制造（LOM）、熔融沉積制造 （FDM）、三維印刷（3DP）、多相噴射沉積 （MJD）等。打印材料多樣化，有橡膠、金屬、陶瓷、玻璃、樹脂、石蠟、石膏等。

二、3D打印技術(shù)與模具設(shè)計制造技術(shù)的融合

在現(xiàn)代工業(yè)中，模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)裝備。在機(jī)械、電子、汽車、航空航天等領(lǐng)域，60%～90%的需模具加工。模具設(shè)計水平及速度、制造力量及速度、模具質(zhì)量都會影響新產(chǎn)品的開發(fā)。

傳統(tǒng)的模具主要是采用機(jī)械切削加工方式制造，占用的機(jī)械裝備多、制造周期長、浪費材料。對越來越快速多變的個性化市場來說，傳統(tǒng)制造因開發(fā)速度慢而缺乏市場競爭力。傳統(tǒng)制造還有另一種的局限性——不能加工形狀復(fù)雜的模具型腔。把3D打印和模具制造結(jié)合起來的快速制模技術(shù)因為增材制造、快速制造、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造、桌面設(shè)備占地面積小、生產(chǎn)成本低特別適合模具生產(chǎn)，所以3D打印快速模具技術(shù)在模具制造領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。如今將3D打印用來直接打印模具手板、打印模具，間接翻制注塑模、壓鑄模、沖壓模、鑄造模等模具。

三、3D打印快速制模技術(shù)工程應(yīng)用

（一）直接制作模具手板

手板是在批量生產(chǎn)前，根據(jù)產(chǎn)品外觀圖紙或結(jié)構(gòu)圖紙先做出一個或幾個功能樣板，用來檢查產(chǎn)品外觀、結(jié)構(gòu)的合理性，找出設(shè)計產(chǎn)品的弊端。手板可以用來替代真正模具做功能實驗，也可以利用模具手板作技術(shù)交流、為生產(chǎn)作準(zhǔn)備工作。目前可以運用3D打印技術(shù)制作包括樹脂、塑料、紙、石蠟、陶瓷等材料的原型手板。不同3D打印工藝制造出來的手板精度、強(qiáng)度和表面質(zhì)量有區(qū)別，其中用光敏樹脂打印（SLA）手板是目前最流行的一種模式，其表面質(zhì)量較好。

（二）直接制造模具

應(yīng)用較多的直接制造模具3D打印工藝有：選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）等?？焖倌＞叻譃檐涃|(zhì)模具和硬質(zhì)模具。

軟質(zhì)模具強(qiáng)度較低，易于破損，只能加工出幾件少量的產(chǎn)品便不能重復(fù)使用。根據(jù)模具材料不同，軟質(zhì)模具有砂模、塑料模、樹脂模、蠟?zāi)５取Ｄ壳澳軌虺晒?D直接打印鑄造用蠟?zāi)?，打印砂模中的砂芯或型殼等非金屬軟質(zhì)模具[2]。也可以采用3D打印技術(shù)制造具有內(nèi)置復(fù)雜隨形冷卻水道的樹脂注塑模，用來澆注小批量注塑件[3—4];

硬質(zhì)模具一般是指強(qiáng)度高、力學(xué)性能好、可以反復(fù)使用的金屬型模具。目前正在研究和使用的快速制模方法有：（1）采用基于LOM工藝方法，直接采用金屬片材，通過激光切割、焊接或黏結(jié)金屬片材制造金屬模具;（2）采用金屬粉末堆積成形SLS工藝、3D-P工藝和激光加工凈成形，用激光燒結(jié)金屬粉末或利用黏接劑黏結(jié)金屬粉末，層層堆積成形制造金屬模具;（3）用FDM金屬絲材熔融堆積制造金屬模具[5]。

用金屬直接打印模具目前還存在許多問題，如能打印的金屬模具材料種類少，金屬粉末品質(zhì)要求高，價格昂貴，打印模具制造成本高;打印模具綜合力學(xué)性能、精度、表面粗糙度都還需要進(jìn)一步提高;打印機(jī)規(guī)模小，只能打印制造較小體積的模具。

（三）間接制造模具

間接制造模具是利用3D打印技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)模具技術(shù)來翻制模具產(chǎn)品。用3D打印非金屬型（如紙、ABS、蠟、尼龍、樹脂、陶瓷等）模具原型，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，使用不同復(fù)雜程度和成形精度的金屬噴涂成形、精密鑄造成形、電鑄成形和粉末燒結(jié)成形等工藝翻制模具。間接制造模具一方面可以較好地控制模具的精度、表面質(zhì)量、機(jī)械性能與使用壽命，另一方面也可以滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，目前工業(yè)界多數(shù)采用間接制造模具工藝。

在2002年，單忠德院士在清華大學(xué)研究用3D打印結(jié)合金屬噴涂成形翻制金屬模具工藝，其中模具原型或軟質(zhì)模具可以采用LOM、SL、FDM等打印。該工藝被應(yīng)用廣泛，可以制造注塑模、拉延模、消失模、沖壓模等多種金屬模具[1]。

西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江省機(jī)電設(shè)計研究院、中北大學(xué)、北京隆源公司等單位在3D打印快速精密熔模鑄造工藝做了大量的研究工作。采用SLA、SLS打印精密熔模鑄造中的零件蠟?zāi)Ｔ?，然后在原型的外表面掛漿，得到一定厚度和粒度的殼層，緊緊地包裹在原型的外面，再放入高溫爐中燒掉蠟?zāi)Ｔ?，得到中空的陶瓷、石膏、金屬樹脂型殼，往型腔中澆注液態(tài)金屬即可獲得所需的零件。這種工藝解決了單件小批量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的熔模鑄造因設(shè)計和制造蠟?zāi)Ｄ＞叱杀靖?、時間長的缺點[6]。目前，3D打印熔模精密鑄造快速制模技術(shù)得到大量應(yīng)用，但還存在需要進(jìn)一步研究和解決的問題，如原型零件強(qiáng)度不高、易變形，尺寸精度較低，表面質(zhì)量較差，殼易翹曲變形，脹裂等[7]。

四、3D打印技術(shù)在模具設(shè)計及制造系列課程教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在機(jī)械類材料成型及控制工程專業(yè)的模具設(shè)計與制造方向的專業(yè)方向系列課程教學(xué)中也有極其重要的作用[8—9]。目前，模具設(shè)計與制造方向?qū)I(yè)方向系列傳統(tǒng)課程一般有：鍛造工藝及模具設(shè)計、沖壓工藝及模具設(shè)計、注塑工藝及模具設(shè)計、鑄造工藝及工裝設(shè)計等。這些課程結(jié)束后要求學(xué)生綜合運用基本理論知識，去完成鍛件、沖壓件、注塑件、鑄件的工藝設(shè)計及相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。這些專業(yè)方向課程結(jié)束后，怎么來檢驗學(xué)生的綜合設(shè)計能力，一直以來沒有很好的客觀判定方法。

近年來，為了增加學(xué)生快速模具制造方向知識，很多學(xué)校開設(shè)3D打印快速成型與快速制模課程。但很多老師只是讓學(xué)生打印一些工藝品的模型，3D打印與模具設(shè)計制造的系列課程幾乎沒有相關(guān)，學(xué)生對快速制模技術(shù)的學(xué)習(xí)理解也不深刻。

為了解決上述存在的教學(xué)問題，把相關(guān)課程知識進(jìn)行整合，以鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計能力，需要采用一種任務(wù)驅(qū)動式的教學(xué)，讓學(xué)生在問題中進(jìn)行探究如何應(yīng)用專業(yè)知識去完成一個設(shè)計任務(wù)。所以在為期3周的模具設(shè)計與制造技術(shù)綜合實驗課程中采用探究式教學(xué)方法，把傳統(tǒng)的專業(yè)課程與3D打印技術(shù)相結(jié)合，來驅(qū)使學(xué)生去完成設(shè)計任務(wù)。

首先，按項目把學(xué)生進(jìn)行5人分組，分組完成某零件的鍛造、鑄造、沖壓、注塑零件的工藝及模具設(shè)計;然后，用3D打印機(jī)制作模具模型。教師可以根據(jù)每組的作品、學(xué)生操作3D打印機(jī)的熟練程度、計算機(jī)建模的質(zhì)量和速度、工藝方案的優(yōu)化程度、說明書的撰寫質(zhì)量來客觀給出綜合成績。設(shè)計任務(wù)及順序如下：

零件的FDM快速原型制造→鑄件、鍛件、注塑件、沖壓件設(shè)計、建模及FDM原型制造→鍛造、鑄造、注塑、沖壓工藝設(shè)計及CAE成形工藝優(yōu)化分析

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計→模具結(jié)構(gòu)三維建?！鶩DM打印模具零件→裝配模具，檢驗?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)的合理性→撰寫說明書

下圖為學(xué)生用FDM打印的模具零件：壓板、下模座。通過這個開放性的綜合實驗，學(xué)生最終打印出模具的零件并裝配出模具。在設(shè)計制作的全過程中，學(xué)生學(xué)會了怎樣利用專業(yè)知識和技能去解決工程問題，提升了他們的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

把3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)的專業(yè)課程結(jié)合起來的綜合實驗，給材料成型及控制工程模具設(shè)計和制造方向的教學(xué)帶來了活力。不但解決了傳統(tǒng)課程的死板枯燥，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，讓他們更能適應(yīng)現(xiàn)代模具制造業(yè)的需要。

五、結(jié)語

我國西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等高校在20世紀(jì)90年代開始研究快速成型快速模具制造技術(shù)?，F(xiàn)在以這些大學(xué)為龍頭、以北京隆源公司為代表的很多公司和企業(yè)可以運用3D技術(shù)直接或間接制造各類模具、快速打印金屬、非金屬零件。把快速模具制造技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械、電子、汽車、航空航天、口腔醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域，推動我國數(shù)字化制造技術(shù)的研究和應(yīng)用。

高校材料成型及控制工程專業(yè)把3D打印技術(shù)和模具設(shè)計制造專業(yè)傳統(tǒng)課程有機(jī)地結(jié)合起來，開發(fā)出創(chuàng)新性實驗課程，培養(yǎng)學(xué)生模具設(shè)計制造方面的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，為國家培養(yǎng)更多模具設(shè)計制造方向的先進(jìn)人才。

參考文獻(xiàn)：

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◎編輯 王海文