3D打印技術在模具行業中的應用研究

陳黎明+胡智清+劉少華

摘要：目前，產品的制造主要依賴于模具的制造技術，在現代化工業生產中，60%～90%的工業產品需模具加工。模具制造提高了生產速率，為產品的快速更新創造了條件。但模具制造也有一定的局限性。模具設計水平的高低、加工設備的好壞、制造力量的強弱、模具質量的優劣，都會影響新產品的開發和舊產品的更新換代。考慮到市場風險的影響，模具的加工必須保證一定量的生產，才能降低產品的成本。3D打印技術是增材制造（additivemanufacturing，AM）技術的俗稱，與傳統的制造方法相互補充。3D打印技術的出現，使傳統的模具制造技術有了重大的改革和突破。

關鍵詞：3D打印技術；模具制造；應用

中圖分類號：TP33文獻標識碼：A

引言

隨著裝備制造業的不斷發展，新技術的應用越來越廣泛，通過對本地區企業的調查發現，當前制造企業由于技術、成本等各方面的要求，對于模具的生產制造已經逐步向低成本高效率邁進。模具技術人才是掌握模具材料成型工藝與模具設計、CAD/CAE/CAM技術、先進制造技術等多門類技術的復合型人才。現階段模具設計與制造專門人才采取的都是基于CAD/CAM/CAE技術，通過數字化制圖，模具的數字化設計，模具的數字化分析仿真，產品成形過程模擬，然后通過機床的數控加工，完成模具的生產。

1 3D打印及其原理

3D打印是一種以數字模型文件為基礎，采用離散材料，通過逐層堆疊累加原理制造實體零件的技術。它將材料一次性熔聚成型，自下而上材料累加的制造工藝，改變了傳統去處材料和利用模具加工的模式，從而帶來了制造工藝和生產模式的變革。該技術融合了數字技術、新材料技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動等技術，發展成多學科交叉的一種先進制造技術，3D打印包括數據處理和制作兩個過程。數據處理過程利用三維計算機輔助設計數據，將三維圖形分切成薄層，完成將三維數據分解為二維數據的過程，從而指導打印機逐層打印；制作過程中，打印機通過讀取文件中的橫截面信息，將這些薄層逐層地打印出來，再采用不同方法將薄層按序疊加，實現二維薄層到三維實體的制造過程。這種三維設計—二維打印—三維實體的制造思想，改變了傳統的制造模式。

2 3D打印技術特點

3D打印技術的應用會隨著時間的推移而發揮更大的作用，成為促進制造產業升級的方法之一。該技術主要有三個特點，生產周期短，復雜模型成型快，制造精度高。3D打印技術可以縮短生產周期，簡化生產步驟，省略了傳統制造業中的一些加工程序，從設計到成品的全過程都可以在計算機中完成，大大提高生產效率。同時，3D打印機生產產品可以不考慮目標產品的復雜程度，直接對復雜模型進行制作。該技術在制作產品曲面中有不可替代的優勢。此外，制造精度較高的產品中，3D技術制造后的結構可以達到更高的精度，包括尺寸、形狀和位置精度等，這也是模具加工行業沒有的亮點。

3 3D打印技術在模具行業中的應用

3.1 職業模具開設3d打印技術課程的實施

3.1.1課程的制定

當前模具專業在職業是屬于機械類大專業，作為機械專業的衍生專業，其開設的課程包含機電專業的相關課程。主要內容包括：機械制圖、機械設計與基礎、冷沖模設計與制造、注塑模設計與制造、數控技術與編程、模具加工機械、電工與電子技術、液壓與氣動傳動、金屬切削原理、機械CAD/CAE/CAM等。在此基礎上增設專業核心課程：3D打印技術概論、快速成型技術與應用、3D測量與逆向工程技術、3D打印綜合技能實訓等。

3.1.2培養目標的修改

當前《江蘇省中等職業學校模具專業課標準》中規定模具專業培養的目標：具有本專業必需的自然科學、社會科學和管理科學知識；掌握計算機基礎知識、必要的網絡知識、常用軟件知識；具有基本的機械基礎知識；具有本專業必需的機械設計理論基礎知識、模具材料及成形工藝、模具設計與制造專業知識；掌握模具CAD/CAE/CAM基礎知識；具有必要的模具維修基礎知識。

3.2 快速模具技術

1）直接制造軟質模具

1.選區激光燒結砂模

砂模可直接由選區激光燒結技術加工完成。激光的能量使高分子粘結劑熔化，粘結沙礫。這種方法獲得的砂模，其鑄造的金屬件的精度與表面粗糙度與由傳統的方法制造的砂模鑄造件性能相似。

1.光固化復合材料制模

這種方法是把鋁粉與環氧樹脂混合為原料，然后光固化形成模具。相對于DirectAIM制模法，這種方法的優點是提高了模具強度。為了進一步提高熱傳導能力，可往混合材料中加入金屬鋁粒，這樣大大縮短了制模時間。這種制模方法的優點就是提高了模具的熱傳導能力，減少了制模時間。

2）間接制造軟質模具

1.硅橡膠澆鑄法

硅橡膠澆鑄的模具具有良好的柔性和彈性，能制作出結構復雜的零件，通常用于功能性塑料、金屬和陶瓷零部件的制造。硅橡膠模具有以下優勢：①硅橡膠型腔能分辨出母模的微小細節，模具精度高；②可減少回程問題（也就是沖模鎖死或零件不能從模具里面取出來）。

2.金屬噴涂法

該方法以3D打印原型作為母模，將低熔點金屬或合金噴涂到母模表面上形成金屬薄殼，然后背襯填充復合材料來制模具的方法。此方法能快速地生產鑄模，鑄模可用來加工一些標準零件。金屬噴涂的過程是用便攜式噴槍完成的。電弧在兩根金屬絲之間，把金屬絲熔化成小液滴。壓縮空氣把小液滴吹到模型表面，形成大約0.5mm的金屬層。

3.樹脂澆鑄法

樹脂澆鑄法和硅橡膠澆鑄法相似，首先將母模放置在砂箱里，用塑料土標出母模的分割標識線；然后將樹脂倒入母模，浸潤母模到標識線。樹脂中可混入鋁粉或金屬小顆粒，其目的是提高模具的力學和熱學性能。硅橡膠模具適用于小批量生產，如果制品數量較大時，則可用注塑模、吸塑模及聚氨酯發泡成形模等。

4 結束語

綜上所述，模具制造行業和3D打印技術都在飛速地發展，兩者相互補充、相互促進。國際模協會秘書長認為，在未來3D打印機可以完成三成的工業產品，剩下的七成還是需要有模具生產制造出來。同時，3D技術與逆向工程及測量工程有機聯合在一起，可以促進模具制造領域的技術更新，不斷攻克3D打印技術現存的技術難題，使得3D打印技術在模具研發設計和制造中有更廣闊的應用。

參考文獻：

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