3D打印技術在注射模具中的應用探索

孫建麗

（成都航空職業技術學院，成都 610100）

3D打印技術也被稱之為增材制造技術，是集數控技術、激光技術、機械技術以及材料技術等于一體的新型成型技術。3D打印是快速成型技術中的關鍵，也是我國經濟發展的重要趨勢。3D打印能夠在實驗室、家庭以及企業等多種不同的環境中應用，為社會經濟的全面發展作出了重要貢獻，促進了我國社會經濟整體發展水平的提高，能夠促進各種行業的轉型發展。

1 3D打印技術的原理

3D打印技術能夠基于傳統平面印刷技術，通過噴頭一層層將材料在平臺上進行堆疊，通過新型打印材料打印工藝和軟件控制，實現三維實物3D打印[1]。3D打印技術包括三維軟件建模，如通過CAD軟件快速建模可以提高對軟件處理的效率，同時增強3D建模的質量。后分層可以將二維數據轉換為三維數據，沿著平面被切割成不同切片，且每一個切片都記錄著3D打印信息。分割切片越多，產品尺寸精度越高，甚至更接近于原始數據。但是，分層與打印機設備質量和打印材料具有密切關聯。打印中通過讀取3D圖片信息，能夠將液體、膠凝狀以及粉末狀材料組合，根據不同形狀的分層噴涂材料，最終形成三維產品，如圖1所示[2]。

圖1 3D打印

2 我國塑料模具技術的發展現狀

因模具材料及熱處理工藝、模具制造工藝的限制，我國在交貨期、模具質量和壽命方面與國外相比還有一定的差距[3]。目前，汽車保險杠、洗衣機桶等大型模具我國已能自主設計制造。據報道，我國最大的注射模具單套質量已超過50 t。此外，我國已能生產塑件精度很高的精密模具，最精密的注射模具精度可達2 μm。總體來說，低端模具占有很大比例，一些特別復雜的精密、先進的高端模具仍需進口。隨著社會的發展，人們對塑料產品的要求越來越高，因此塑料模具勢必朝著精度更高、壽命更長、效率更高的方向發展。隨著3D打印技術的出現和發展，可以將3D打印技術應用于塑料模具設計與制造領域，縮短新型模具的開發周期，突破注射模具利用傳統加工方法無法解決的一些技術壁壘。3D打印技術的出現與普及可以為模具設計、制造提供全新的思考方向[4]。

3 3D打印技術在注射模設計與制造技術中的應用

3.1 新產品及新模具的開發

對于技術復雜的新型超多腔模具，開發時往往需要先制造一副單腔模，在單腔模調試沒有問題的情況下再制造多腔模。應用傳統模具制造方法，需將除標準件以外的零件一一加工好后進行裝配、試模。結構復雜的模具零件加工的時間較長，延長了模具的開發周期。此時，可以結合3D打印技術，將結構復雜、傳統加工方法不易加工的零件用3D打印技術加工，縮短模具開發周期，提高設計的整體靈活性。3D打印流程，如圖2所示。

圖2 3D打印流程

3.2 新型冷卻系統的設計開發

一個完整的注射成型周期包括塑化、合模、注射、保壓、冷卻和開模取件6個環節，其中冷卻環節時間占整個成型周期的2/3以上。所以，要提高生產效率、縮短成型周期的最好辦法是縮短冷卻時間，提高冷卻效率。模具的冷卻系統越貼近產品的表面，其與塑件的形狀越一致，冷卻效率越高。但是，限于傳統加工技術工藝以及避免和推桿孔干涉，很難做到冷卻水路和產品形狀一致，致使冷卻效率低。因為冷卻水道距離產品表面距離不一致，產品存在冷卻盲區，導致產品冷卻不均勻，引發翹曲變形、內應力大等質量問題。不管是從提高產品的生產效率還是從提高產品質量上來講，設計制造新型的隨形水路勢在必行。研究表明，在某型號凈水器濾瓶蓋注射模研究中，對傳統冷卻系統和隨形冷卻系統的冷卻效果行分析對比，結果與傳統冷卻水路相比，隨形水路冷卻方案的冷卻效率提高了28.2%，周期內模具溫度分布均勻性提高了40.6%，冷卻結束時模具溫度分布均勻性提高了87.7%，產品表面溫度均勻性提高了87.1%[5]。可見，隨形水路能有效改善冷卻效果，顯著提升冷卻效率和生產效率，具有很大的冷卻優勢。在關于某大型盒狀產品后蓋模具研究中，對傳統水路和隨形水路的冷卻結果進行對比，隨形水路的冷卻效率比傳統水路提高了35.64%，產品表面溫度分布均勻性提高了24.95%。同時，對傳統水路和隨形水路的尺寸穩定性和翹曲變形結果進行對比，隨形水路比傳統水路的X和Y方向的最大位移分別改善了39.77%和51.71%，翹曲變形減小了35.09%。這些研究說明，隨形水路能夠顯著提高冷卻效率和冷卻均勻性，提高塑件的生產效率和質量。

4 3D打印技術應用于注射模領域存在的問題

4.1 費用高，難以普及

目前，金屬材料3D打印都是以克為單位計價的，市場上一般每克5元起價。價格偏高導致3D打印技術難以應用于一般的注射模具，只可應用于高端、附加值高的注射模具或者質量要求特別高的塑件。此外，其他冷卻形式難以保證其質量時，使用3D打印的隨形冷卻系統。

4.2 3D打印注射模具隨形水路滲水

因3D打印費用高昂，目前業界只用3D打印技術制造模具零件的關鍵部分，底座部分仍用傳統的加工方法加工，然后將二者連接起來形成一個模芯，二者連接處存在滲水問題。目前，3D打印技術仍處于研究發展階段，可選擇的模具鋼材料有限，材料本身的性能、3D打印參數的設定都會影響模具零件的質量，導致滲水情況的出現。

4.3 難以保證模具零件的機械強度

因3D打印可選擇的模具材料有限及其本身的加工方法，業界一直認為3D打印的模具零件機械強度不及傳統加工方法加工的模具零件，所以不宜用于長壽面的模具。但事，部分企業認為3D打印的模具零件和傳統方法加工的模具零件機械強度不相上下，硬度能達到48～52 HRC。

4.4 模具的尺寸有限制

目前，最大的3D打印機是大連理工大學教授堯山和他的團隊在2013年設計和開發成功的，工作面尺寸為1.8 m×1.8 m，但是不滿足制造大模具產業要求的方法。與傳統的模具制造技術相比，3D印刷還有很多局限，尚無法完全取代傳統模具制造技術的方法，需進一步開展研究。

5 結語

隨著科學技術水平的大幅提高，塑料注射模具行業迎來了新的生機。將3D打印技術應用于塑料注射模具領域，可以縮短新產品的開發周期，大幅度提高塑料產品的生產效率和產品質量。盡管3D打印技術在塑料模具領域中的應用還處于起步階段，但隨著技術的發展和新材料的開發，3D打印技術在注射模具領域中的應用會越來越廣泛。