增材制造技術在模具行業(yè)的應用現(xiàn)狀及展望*

羅志良，胡永珊，柳志林，張 斌，肖 瑩，黎力超

(江西工業(yè)工程職業(yè)技術學院，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，為滿足人們日益增長的物質和精神需求，各種各樣的產品層出不窮，這極大地促進了模具制造工業(yè)的發(fā)展，且產品也出現(xiàn)了快速研發(fā)設計迭代的時代特征，以滿足現(xiàn)在人們對產品定制化的需求。而從節(jié)約開發(fā)成本、快速響應訂單需求出發(fā)，模具設計制造行業(yè)正在尋求有別于傳統(tǒng)模具設計制造的技術，本文旨在通過介紹增材制造技術、增材制造技術的優(yōu)勢、增材制造技術與模具設計制造的應用結合，進而提出增材制造在模具設計制造中的應用策略，為實現(xiàn)模具設計制造的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 增材制造技術概述

常見的制造技術包括減材制造、等材制造和增材制造，減材制造和等材制造是傳統(tǒng)的制造技術。減材制造是通過采用切削工具去除材料，得到產品；等材制造是使用模具控制液體或者固體材料制成所需結構的產品；增材制造技術相比于傳統(tǒng)的制造技術，區(qū)別在于其制造工藝是基于“離散/堆疊成型”的思想，從零件的CAD實體模型入手，通過軟件分層和離散化形成系統(tǒng)，將材料逐層堆疊，最后堆疊成實體，它廣泛應用于航空航天、汽車制造、醫(yī)療設備、模具制造等領域[1]。

增材制造是集計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、數(shù)字控制、激光精密伺服驅動、新材料等技術為一體的綜合制造技術。常見的增材制造技術及其特點如表1所示[2]，根據(jù)使用材料的不同，采用不同的增材堆積方式，最終形成產品。

表1 常見的增材制造技術及其特點

2 增材制造在生產制造中的優(yōu)勢

增材制造技術采用了增材整體制造的方案，實現(xiàn)了設計即制造的想法，相比傳統(tǒng)的制造技術，增材制造技術在產品功能、制造成本、生產效率等方面具有顯著優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1 降低生產成本及縮短生產周期

對于企業(yè)來說，采用增材制造技術沒有庫存積累，降低了庫存風險，可以減少生產成本。增材制造技術的準時化生產方法使得產品個性化，根據(jù)消費者的需求生產，既滿足了消費者的需求，又減小了企業(yè)風險，減少了企業(yè)庫存，實現(xiàn)了按需配送的新型交易模式，做到了零庫存、低成本、快速交貨。

2.2 產品多樣化不需增加成本

在傳統(tǒng)的制造技術中，一臺機械設備只能生產有限種類的產品，并需要專業(yè)的技術人員進行維護，使得設備具有高度的專用性。然而采用增材制造技術，只要產品的三維數(shù)據(jù)和原材料是可用的，增材制造設備不僅可以打印各種尺寸、形狀和類型的產品，而且也不需要技術人員進行額外的維護工作，從而降低了產品的制造成本。

2.3 零技術門檻

傳統(tǒng)的制造模式專業(yè)性很強, 例如，汽車工程師需要經過專業(yè)培訓才能進入生產線，明顯的勞動分工導致了教育和培訓的高成本。 增材制造技術突破了專業(yè)化的局限，員工只需要掌握增材制造的機械設備即可生產不同的產品。因此，增材制造技術實現(xiàn)了一種新型的零技術門檻制造模式 。

3 增材制造技術在模具制造中的運用

3.1 增材制造技術用于直接模具制造

直接模具制造是通過計算機輔助設計，對目標產品進行三維建模，利用增材制造技術直接制造模具本身，然后進行一些必要的后處理以獲得傳統(tǒng)模具所要求的機械性能、尺寸精度和表面粗糙度。在輪胎模具的加工中，加工工序高度集中，為了實現(xiàn)輪胎更好的抓地力和穩(wěn)定性，需要設計很多表面不規(guī)則的復雜結構，這對加工要求非常高。增材制造技術解決了這一問題，不僅釋放了輪胎產品設計的便利性，而且可以快速地迭代產品，汽車輪胎制造商米其林已經開始使用增材制造技術生產高端輪胎模具，推出了具有比較復雜的花紋和更好的抓地力和穩(wěn)定性的輪胎產品。由于增材制造的高度設計和制造自由性，還被廣泛應用于制造模具的共形冷卻通道，以增加和均勻化模具鑲塊的冷卻速度。傳統(tǒng)的內流冷卻通道是在模具上鉆孔，由于加工的限制，很難貼近模具表面，尤其是模具表面比較復雜的時候。而增材制造技術解決了這一難題，可以制造出任何復雜的內流道，如圖1所示,深色部分是貼合模具表面的冷卻通道。圖2為混合模組件，該部分底部是機加工，頂部是增材制造技術制造的。Salandre等[3]通過EOSM290打印機使用不同顆粒分布和霧化的新型工具鋼(L40)粉末制造注塑模具，驗證了其硬度和塑性等指標高于注塑應用標準。

圖1 貼合模具表面的冷卻通道 圖2 混合模組件

3.2 增材制造技術用于間接模具制造

用增材制造技術制造原型件，再用不同的工藝方法制造出模具，如澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂等軟材料可構成軟模具。用增材制造技術制作的母?；蜍浤＞吲c熔模鑄造、陶瓷型精密鑄造、冷噴等傳統(tǒng)工藝結合，即可制成硬模具，能夠批量生產塑料件或金屬件。李翔等[4]通過增材制造技術(SLA)制造樹脂模具，在模具中填充生物材料，再去除樹脂模具，制造出生物相容性良好的多孔生物陶瓷支架。Hawaldar等[5]比較了使用增材制造技術和傳統(tǒng)工藝制造的砂鑄模具在節(jié)省重量、提高表面光潔度等方面的性能，結果表明，增材制造技術在砂型鑄造模具方面具有明顯優(yōu)勢，節(jié)省了大量的砂子使用，減小了設計余量和修復工作，而且由于使用增材制造過程中良好的粘結強度，增材制造的模具性能也高于傳統(tǒng)模具。華中科技大學董選普等[6]采用聚乳酸材料通過FDM方式制造出替代V法造型木模的模型，分析了不同工藝參數(shù)增材制造的模型硬度、抗壓性能、表面粗糙度等參數(shù)，結果驗證了通過增材制造技術制造V法模具的可行性。Biondania等[7]比較了選擇性激光熔化(SLM)、熱噴霧(TS)和電成像(EF)在光學質量模具生成方面的優(yōu)劣勢，進而提出一種SLM與TS、EF工藝相結合的模具制造方式，該方法結合了三種工藝的優(yōu)勢，通過這種方式制造的原型模具經注塑試驗驗證，模具表面硬度或粗糙度沒有顯著變化，滿足模具使用要求。

3.3 增材制造技術用于模具修復

針對一些比較貴重的模具，因長期在高溫高壓的工況條件下，模具表面容易出現(xiàn)表面點蝕、細小裂紋等缺陷，通過引入模具修復技術在保證模具性能的前提下可以實現(xiàn)模具再利用，它有效地節(jié)約了成本，減少了模具浪費。傳統(tǒng)的模具修復技術是在模具局部失效后，通過機加工方式或者其他方法去除失效部分，再通過等離子堆焊、高溫高壓熱噴涂等技術修復模具。但通過這些技術修復的模具質量難以保證，而且容易引起環(huán)境污染。而引入增材制造技術進行模具修復，對環(huán)境友好，模具的綜合力學性能良好，擁有很高的應用價值[8，9]?；袅④奫10]選擇鐵基復合粉末Fe60作為修復粉末，利用激光增材制造技術在已報廢的沖裁模具上進行修復實驗，并對修復后的模具試件進行了力學實驗分析，結果表明修復后模具的力學性能滿足沖裁模的工況要求。

4 結論

增材制造無論在技術上還是在工業(yè)上都具有明顯的優(yōu)勢，有可能帶來巨大的經濟效益。尤其是在模具制造領域具有很大的應用優(yōu)勢，基于增材制造技術的高度設計和制造自由性，可以快速迭代產品，滿足個性化定制化需求。由于增材制造技術大批量生產時耗時較多，在短時間內還不能替代傳統(tǒng)的模具制造方式，但通過增材技術可以實現(xiàn)鑄模制造，再通過鑄模制造產品，這是目前最具實用性的應用策略。在未來，隨著增材制造技術的發(fā)展，必將對模具設計與制造產生變革性影響。