模具制造中3D打印技術的應用研究

肖婷 劉堅

摘要：3D打印技術的出現，給復雜的模具制造注入了新的思路。文章綜述了在模具制造中3D打印技術的發展現狀，著重介紹了3D打印技術在模具制造中的優缺點，最后展望了3D打印技術在模具制造領域的發展前景。

關鍵詞：3D打印技術;模具設計;工業技術;智能制造

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編碼：1672—7053（2019）05—0154—02

Abstract ： The emergence of 3D printing technology has injected new ideas into complex mold manufacturing. This paper reviews the development status of 3D printing technology in mold manufacturing， highlights the advantages and disadvantages of 3D printing technology in mold manufacturing， and finally forecasts the development prospects of 3D printing technology in the field of mold manufacturing.Key Words ： 3D printing technology; Mold design; Industrial technology; Intelligent manufacturing

1 3D打印技術簡介

3D打印技術又稱“增材制造”技術，是集計算機技術、數控技術、激光技術、CAD/CAM技術、新材料技術等高技術群的新型成型技術。它是基于傳統的平面印刷技術，利用噴頭一層一層地將材料在平臺上進行堆疊累積，從無到有的構建三維實物的過程。在3D打印技術體系中，新型打印材料、打印工藝設計與控制軟件等是重要組成部分，3D打印機則更是其核心部分。與傳統制造技術相比，3D打印技術對于傳統模具制造業在生產周期上，操作復雜、設計靈活性、人工成本高、耗時耗力等不足之處上有了很大的改善。3D打印技術是一個技術性的進步，同時也是一次偉大的變革，3D打印技術已經應用到各個領域，比如在服裝發飾、教育領域、醫療保健、汽車工業制造等各行各業中，都在模具制造業中應用的十分廣泛，讓模具制造業發展到一個新的高度，實現了該行業的轉型"。

3D打印技術原理：分為三個部分，第一，軟件建模：如AutoCAD或Pro/E等建模軟件，可以滿足設計建模要求。因為3D打印機完全基于我們在計算機中構建的3D模型數據，印刷質量在很大程度上取決于3D建模的質量;第二，3D模型分層：該過程是將三維數據轉換為二維數據的過程。建立的3D模型沿著平面被逐層劃分為多個切片，并且每個切片記錄二維打印圖案信息。分割層數越精密，產品尺寸的準確度就越高，越接近于原始數據。但也同樣受打印機設備與打印材料等因素的限制;第三，模型打印：通過讀取文件中的每一分層上的圖案信息，將液體，凝膠狀、粉末狀材料甚至生物活性細胞組織以各種方式結合在一起進行3D打印。通過積累不同形狀的分層，最終形成產品結構的三維模型。從以上可以看出，3D打印是通過根據分割的二維片材的層數逐層沉積待噴涂的材料而形成的三維產品。

2 我國模具制造技術的現狀

3D打印技術在中國發展之前，模具的主要生產是通過傳統的制造工藝方法進行的。但是在實際開發中，模具制造業的技術水平整體不高，同其他發達國家相比較差距仍然很大，對中國模具制造技術業的發展有一定的障礙。由于材料因素的限制，在我國真正能夠使用的模具在數量和壽命方面都極低。隨著時代的發展，中國的相關技術取得了一定的進展，但國內3D打印模具制造的應用與國外相比仍有很大差距，還存在許多影響模具制造技術發展的問題，例如在中國模具制造技術的發展過程中，生產制造周期性長，新型材料推廣不足。由于幾十年大部分一直沿用老式材料，一成不變，新材料無法普及，并且新材料遠遠研究不夠，導致了技術停滯不前。將3D打印技術引入到模具行業，對于它的設計和制造等都是一種趨勢，對于模具企業來說，雖然不具備對于3D打印設備研究開發的能力，但它們具有占據模具市場資源這一大優勢，可以極大地促進3D打印技術在未來模具中的應用2。

模具行業被視為工業的基礎，與制造業關系十分密切，許多產品往往都依賴模具來制作成形。因此，在模具行業看來，模具本身的制備技術成熟度就顯得尤為重要。縱觀模具行業的發展，從原來的傳統模具制作到機械化加工制作，再到數字化媒體設計與自動化控制的模具數控加工，使得傳統制作的工序在不斷減少，而模具的質量在不斷提高。又伴隨著現如今一系列人工智能技術的日趨成熟，模具制造產業正朝著智能制造的方向蓬勃發展舊。

3 3D打印技術對于模具智能制造的優勢

隨著科學技術的顯著提升，3D打印技術在發展過程中逐漸被模具制造業應用到模具制造中，并且直接運用到了成型、造模、加工、檢驗、智能機器執行等各環節之中，其優越性顯而易見。

3.1 節約模具生產周期時間

由于3D打印技術從設計到生產，將計算機的三維設計轉化為實物模型，在過程中省去了傳統加工過程中設計、修改、再設計及求證等一系列復雜的程序，大大縮短了生產周期，也因為計算機設計具有靈活性、自動化、精度高、效率快等優勢，可及時根據市場需求，調整產品進行再生產。

3.2 降低制造成本

雖然3D打印技術目前用于金屬制造成本很高，個別材料也不允許打印，但就塑料產品而言，在資本投資方面相對便宜回。一些材料本身具有非常高的成本。因此，使用相對昂貴的材料用傳統模具制造方法將導致相對高的廢品率。但如果使用3D打印技術制作模具，靈活性可以幫助工程師嘗試無數的設計，可以在一定程度上降低由模具設計修改引起的前期成本的浪費。同時，3D打印過程基于計算機軟件建模和逐層打印，與傳統制造方法逐層減少的過程相比，相對節省了生產材料的成本，并且由于3D打印過程的便利性，設計和生產過程中的人力資源也大大減少。

3.3 提高更多可能性，加快產品研發

由于使用3D打印技術，可以直接生成在計算機中設計的任何形狀的三維CAD圖形的實物產品，這樣有利于減少制造工具或任何模具的使用率。隨著我國技術水平的不斷提升，可運用到3D打印的材料種類逐漸增加，在材料功能方面也從傳統到非傳統過渡，這有助于推進我國3D打印技術水平向多元化方向發展，更好地為我國的工業技術層面提供良好幫助。3D打印技術改變了設計者固有的思維方式，他們會根據零件不同部位的受力承重進行探索和思考，從而研發出更有助于技術進步的產品。

3.4 幫助實現最終產品定制化模式

打破過去定制化高成本、低效率的缺點，利用3D打印用于縮短生產周期，同時降低成本的能力，使企業能夠使用更多個性化的工具來支持定制部位零件的生產。3D打印技術是個性化定制的福音，它能夠為教育事業提供個性化定制模具，例如課堂上的立體實物展示圖，能夠讓學生更加理解書上所表達的內容;也可以為醫療事業做貢獻，為病人病情所需提供3D打印的個性化醫療器械，改善手術效果達到更好的治療。

4 3D打印對于模具智能制造的不足

3D打印到現在近幾十年間名氣很大，但并未形成產業化。3D打印技術作為一門很前沿的技術，可以滿足個性化、定制化、復雜高難度產品的需求，節約時間與成本，但不可否認的是在現階段還不具備規模化、批量化的優勢。

4.1 材料選擇單一，并且價格較貴

模具材料性能要求較高，材料的性能對模具的使用壽命有很大影響。人們日常生活中需求的3D材料在目前來說選擇性非常單一，特別是高溫塑料以及一些常用金屬不能被打印，而且還面臨著金屬經過熱處理后容易出現打印后變形的問題。加之國內有能力生產打印材料的企業非常之少，金屬材料大多依賴進口，目前實施規模化批量生產確實是很不現實。

4.2 3D打印技術的效率有待提高

由于3D打印的原理是通過層層疊加來制作產品，它的層數決定了它的精度，層數越多，精度越準，但相反的是，層數越多，打印的速度就會呈現反比趨勢，相應減慢，這就體現了3D打印技術原理中精度與速度的矛盾性。而且3D打印過程是逐步分層打印進行的，逐層堆積使得模型呈現“階梯型”效果，當要打印的模型存在大量曲面時，階梯效應就很明顯，表面明顯粗糙，這樣會影響到產品的精度。

4.3 零件尺寸受限，大型模具難制作

由于3D打印機的設備限制因素，大型模具難以實現。2013年，華中科技大學成功開發出1.2米x1.2米的金屬3D打印機，是當時在世界上加工區域最大的打印設備。隨后，大連理工大學成功開發出工作表面尺寸為1.8米x1.8米的激光3D打印機，在當時引起了轟動，其技術已經創下了世界上最大的3D打印機記錄，即使這樣，這些設備還是遠遠不足以滿足大型工業模具的制造需求間。

4.4傳統工業制造的成熟慣性很難打破

由于幾百年的傳統C業的發展，現如今分工明確，設備配備齊全，每個細節環環相扣，形成很大的效益鏈，也造成了巨大的慣性，這種慣性很難被打破。3D打印技術要想融入或者顛覆傳統，成本非常高。

5 3D打印技術在模具制造中的發展前景

3D打印技術對模具制造有很大影響，這是毋庸置疑的，但現代產品更換的速度非常快，產品經過一系列工序生產出來，得不到消費者認同，沒有銷路，那這個產品按嚴格意義來說是個失敗的產品，就會得不償失。因此，當公司開發新產品時，他們可以首先使用計算機建模軟件在計算機中進行設計，用3D打印技術制作樣品，隨后使用傳統技術進行批量處理。因為建模設計具有靈活性，可重復根據需求進行修改，這樣可以去除一些在傳統制作中重復繁瑣的步驟。3D打印技術在模具制造中的很大優勢在于它縮短了生產周期并節省了一系列生產成本。此外，在3D打印一經推出，風頭正起時有些人誤解并認為3D打印技術很大可能將會取代傳統的模具制造技術，但實際上，3D打印部件的批量生產緩慢，后處理復雜，制造終端產品高。與其用3D打印取代傳統技術，不如將3D打印技術與傳統制造技術相結合，相互補充。如直接利用3D打印技術制造鑄模，再用鑄模澆注出產品，也是值得探討的一個方向。3D打印技術具有制造復雜零件，縮短生產周期，節約成本的優點，在模具設計和模具制造領域具有廣闊的應用前景。在接下來的30%工業產品將由3D打印機完成，70%的產品將由模具制造。

6 結語

工業不死，模具永恒，科技的發展是社會發展必備，所以技術促進工業革命是必然發展的。而如今3D打印技術和傳統制造技術都存在優劣勢，無論是在硬件設備方面還是打印技術方面都還存在不足，并且傳統制造業歷史較長，經由多次實踐檢驗，3D打印融入或者顛覆傳統都需要很大成本代價，目前進行3D打印模具應用研究的企業在國內并不多，隨著未來3D打印技術的規模化、市場化、產業化，對于廣大模具制造企業來說，運用3D打印制造有一個可觀的前景。進一步研究3D打印設備，完善3D打印技術，是對日后工業設計發展的一個必要途徑。另外是否可以將3D打印與傳統制造業相結合，這亟待我們去探討挖掘。

參考文獻

[1]呂孟春，周美容.3D打印技術在模具制造中的應用[J].山東工業技術，2017（21）：127.

[2]陳隆波.3D打印技術在模具行業中的應用現狀[J].南方農機，2018，49（11）：9+15.

[3]柯秉光.3D打印在模具制造中的應用[J].金屬加工（冷加工），2016（22）：36—37.

[4]王驍，單忠德.模具制造中的特種加工技術[J].中國機械工程，2012，13（22）：1897—1902.

[5]姚峰.3D打印技術在模具制造中的應用[J].南方農機，2017，48（20）：108.

[6]范興平.3D打印在模具制造中的應用展望[J].粉末冶金工業，2018，28（06）：69—73.

[7]王穎，袁艷萍，陳繼民.3D打印技術在模具制造中的應用[J].電加工與模具，2016（S1）：14—17.