探討模具制造中3D打印技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

劉珌卿

（江西新能源科技職業(yè)學(xué)院，江西 新余338012）

0 引言

工業(yè)制造和模具是高度依存的，模具行業(yè)的發(fā)展水平可以折射出一個國家的制造業(yè)水平，而對制造業(yè)的發(fā)展來說，3D打印技術(shù)產(chǎn)生之前，各個地區(qū)的加工制造業(yè)都是運用模具作為生產(chǎn)主力。過去的幾十年內(nèi)，傳統(tǒng)的模具為加工制造業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，因此，很多人將傳統(tǒng)模具稱為“工業(yè)之母”。3D打印技術(shù)是一種以三維模型文件為基礎(chǔ)，應(yīng)用粉狀、絲狀等材料通過“分層制造，逐層疊加”的方式來構(gòu)造三維物體的技術(shù)。

1 3 D打印技術(shù)的發(fā)展前景

1.1 傳統(tǒng)模具加工制造與3D打印技術(shù)的比較

3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)模具加工制造技術(shù)都存在獨特的優(yōu)勢和不足，該技術(shù)發(fā)展的方向是讓兩者相互融合。對于同一個產(chǎn)品，過去的生產(chǎn)加工方法是先做模具，然后用模具去生產(chǎn)產(chǎn)品；而現(xiàn)在新出現(xiàn)的3D打印技術(shù)，是直接對產(chǎn)品進(jìn)行三維建模，直接堆砌出產(chǎn)品。不過，對于批量大的產(chǎn)品，還是模具生產(chǎn)加工的效率要高。3D打印產(chǎn)品，只能夠一個一個的去加工出產(chǎn)品且試制的周期短，很適合新產(chǎn)品的開發(fā)。對于定型后的大批量的生產(chǎn)，還是采用過去成熟的模具工藝路線，這樣生產(chǎn)的成本低，效率高，一致性好，還具有互換性。

1.2 3D打印技術(shù)解決了復(fù)雜型腔的模具制造難題

像遇到汽車空調(diào)外殼這類零件的生產(chǎn)時，因為它有著十分復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，若要進(jìn)行生產(chǎn)，就需要解決復(fù)雜型腔和形芯的制造。還有很多形狀復(fù)雜的汽車零部件，都對制造工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)，如果僅僅依靠鑲嵌、拼接體形等工藝來制造形狀復(fù)雜的零件，一方面無法保障生產(chǎn)的高精度，另一方面也無法保證生產(chǎn)效率。如果有了3D打印技術(shù)的協(xié)助，則可以利用激光燒結(jié)三維打印來實現(xiàn)對汽車模具復(fù)雜型腔的控制。

1.3 3D打印技術(shù)可以降低模具生產(chǎn)成本

在人們需求多樣化的時代，傳統(tǒng)模具生產(chǎn)制造技術(shù)受到?jīng)_擊。有些汽車零部件需要較長的時間才能做好，且這一過程日趨復(fù)雜化。而3D打印技術(shù)不受機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)模具的限制，利用三維建模加修改來成型零件，有效降低了零件生產(chǎn)成本。

1.4 3D打印技術(shù)推動模具制造業(yè)的發(fā)展

模具制造業(yè)作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要產(chǎn)業(yè)，在國家制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用，而3D打印技術(shù)在國際產(chǎn)業(yè)競爭中發(fā)揮著突出的作用，必須加快推動3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可以推動企業(yè)結(jié)合3D打印技術(shù)優(yōu)勢與特征，有效地融合一些新材料、新技術(shù)與新工藝，發(fā)揮3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)作用。

2 3D打印技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 選擇性激光燒結(jié)工程技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)，由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。該項技術(shù)是利用紅外激光束對不同金屬、陶瓷、橡膠等粉末狀材料成型的。該技術(shù)中的可選擇性指的是技術(shù)人員可以通過三維空間軟件重新構(gòu)建所需要的模型空內(nèi)置紅外線激光，來完成鋪平、燒結(jié)操作。在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的未熔顆粒規(guī)模較大，因此，該技術(shù)不能應(yīng)用在高精度、高密度的模具制造中。

2.2 電子束選區(qū)熔化工程技術(shù)

3D打印技術(shù)中，電子其可以直接制作成型的電子元件受到高度關(guān)注，經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示，在實際的電子束選區(qū)熔化工藝的操作流程中，電子束可以快速掃描金屬設(shè)備，掃描的整體區(qū)域與掃描速度之間也存在明顯聯(lián)系，這樣就可以確保金屬零件的整體質(zhì)量。結(jié)合相應(yīng)的拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，該項技術(shù)在整體操作過程中，金屬零件中的鋁原件會造成較大的損失，但是整體的硬度和熔體面積沒有受到太大的影響，金屬零件的質(zhì)量整體優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)手段。

2.3 激光凈成型工程技術(shù)

凈成型技術(shù)是改造了傳統(tǒng)的毛坯成型技術(shù)。指零件成型后，由粗糙成型變?yōu)閮?yōu)質(zhì)、高效，僅需少量加工或不再加工，就可成型技術(shù)。它利用多學(xué)科新技術(shù)成果在新材料、新能源、精密模具技術(shù)和模擬技術(shù)等低成本的成型技術(shù)。

通過燒結(jié)和激光熔蓋與傳統(tǒng)技術(shù)兩相結(jié)合，來實現(xiàn)3D打印技術(shù)融合多種金屬材料的操作，按照合金粉末差異實現(xiàn)相同功率來進(jìn)行融化，根據(jù)預(yù)定的管道分層進(jìn)行沉淀，最終得到性能較好的零件。

2.4 直接金屬激光成型工程技術(shù)

先進(jìn)制造的概念主要基于不斷地創(chuàng)新，包括現(xiàn)有激光技術(shù)和核心的金屬粉末原材料的不斷測試成功的應(yīng)用，金屬成型目前主流的材料有鋁合金、磨具鋼、不銹鋼等。

3D打印加工出直接金屬激光模具更適合應(yīng)用在致密度要求較高的模具中，且不需對材料進(jìn)行預(yù)處理。如激光掃描率增加或者激光功率減少，導(dǎo)致金屬粉末在熔化時出現(xiàn)球化效應(yīng)，要避免上述情況的發(fā)生，那么就需要技術(shù)人員把握好各種金屬粉末的熔點。

3 3 D打印技術(shù)教育發(fā)展對策

3.1 擬建立“技能型”人才培養(yǎng)目標(biāo)

3D打印工學(xué)一體的人才培養(yǎng)，服務(wù)于企業(yè)用人需要，滿足學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展需求。作為“技能型”人才培養(yǎng)的職業(yè)院校，在實際生產(chǎn)崗位上進(jìn)行“真刀真槍”的訓(xùn)練，可以明顯改善教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生操作技能，有利于全面提升學(xué)生的知識、技能和教學(xué)質(zhì)量。

3.2 擬建立高水平的教師團(tuán)隊

3D打印技術(shù)需要理論教師，同時又要求會操作的教師。職業(yè)院校要著眼培養(yǎng)企業(yè)需要的人才同時更要培養(yǎng)企業(yè)急需的優(yōu)秀人才。政府有關(guān)部門要加大力度和資金支持，注重加強理論教師的培訓(xùn)和實際操作培訓(xùn)，鼓勵和激發(fā)教師團(tuán)隊做好“教書匠”。始終堅持教學(xué)創(chuàng)新，樹立終身學(xué)習(xí)理念，把教師團(tuán)隊建設(shè)推上新的臺階，為拓展職業(yè)發(fā)展，提升教學(xué)技能搭建平臺。

3.3 擬建設(shè)特色的3D打印技術(shù)的課程

（1）3D打印結(jié)合模具制造專業(yè)有關(guān)課程?；A(chǔ)課程：計算機(jī)應(yīng)用、工程制圖、高等數(shù)學(xué)、材料加工與成型工藝、機(jī)械原理與零件、材料力學(xué)概論等。

核心課程：模具CAD（PRO/E）、模具CAD（UG）模具技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、3D打印材料應(yīng)用、逆向工程技術(shù)、三維建模與模具設(shè)計、快速成型技術(shù)等。

3D打印為模具制造帶來了生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本低，改進(jìn)模具設(shè)計為終端產(chǎn)品增加更多的功能性。

（2）3D打印技術(shù)結(jié)合新能源汽車專業(yè)課程?；A(chǔ)課程：工程制圖、電工學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械零件與原理、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)等。

核心課程：汽車構(gòu)造、傳感技術(shù)與測試、CAD/CAE/CAM、發(fā)動機(jī)原理、3D打印汽車制造應(yīng)用、逆向工程技術(shù)等。

3D打印材料學(xué)：了解3D打印材料的種類、性能、成型特點等。3D打印汽車設(shè)計，模具加工及后置處理，將汽車造型制作成三維模型。

（3）3D打印技術(shù)結(jié)合工業(yè)設(shè)計專業(yè)課程。為了滿足人們對美好生活的需求，力求在教學(xué)上進(jìn)行創(chuàng)新，課程設(shè)計上與時俱進(jìn)。

基礎(chǔ)課程：機(jī)械制圖、工程力學(xué)概論、人機(jī)工程學(xué)概論、工業(yè)設(shè)計概論、設(shè)計色彩概論、設(shè)計心理學(xué)概論、環(huán)境技術(shù)概論、工業(yè)美術(shù)概論、素描、造型設(shè)計基礎(chǔ)等。

核心課程：產(chǎn)品設(shè)計概論、企業(yè)形象設(shè)計、視覺傳達(dá)設(shè)計、3D打印技術(shù)工業(yè)設(shè)計應(yīng)用、逆向工程技術(shù)、三維建模與產(chǎn)品設(shè)計、雕塑基礎(chǔ)、產(chǎn)品語意傳達(dá)概論、產(chǎn)品攝影概論等。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新改變了原有的工業(yè)設(shè)計方式，推動工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計理念的創(chuàng)新與發(fā)展具有重要作用。

4 結(jié)語

3D打印技術(shù)有益于學(xué)校現(xiàn)有傳統(tǒng)專業(yè)的教學(xué)，有益于學(xué)校培養(yǎng)高技能創(chuàng)新型“智造”人才，讓學(xué)生設(shè)計更具個性化的產(chǎn)品，滿足社會和企業(yè)對3D打印人才的需求。