探討模具制造中3D打印技術的關鍵技術

劉珌卿

（江西新能源科技職業學院，江西 新余338012）

0 引言

工業制造和模具是高度依存的，模具行業的發展水平可以折射出一個國家的制造業水平，而對制造業的發展來說，3D打印技術產生之前，各個地區的加工制造業都是運用模具作為生產主力。過去的幾十年內，傳統的模具為加工制造業做出了巨大的貢獻，因此，很多人將傳統模具稱為“工業之母”。3D打印技術是一種以三維模型文件為基礎，應用粉狀、絲狀等材料通過“分層制造，逐層疊加”的方式來構造三維物體的技術。

1 3 D打印技術的發展前景

1.1 傳統模具加工制造與3D打印技術的比較

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

1.2 3D打印技術解決了復雜型腔的模具制造難題

像遇到汽車空調外殼這類零件的生產時，因為它有著十分復雜的外形結構，若要進行生產，就需要解決復雜型腔和形芯的制造。還有很多形狀復雜的汽車零部件，都對制造工藝提出了巨大的挑戰，如果僅僅依靠鑲嵌、拼接體形等工藝來制造形狀復雜的零件，一方面無法保障生產的高精度，另一方面也無法保證生產效率。如果有了3D打印技術的協助，則可以利用激光燒結三維打印來實現對汽車模具復雜型腔的控制。

1.3 3D打印技術可以降低模具生產成本

在人們需求多樣化的時代，傳統模具生產制造技術受到沖擊。有些汽車零部件需要較長的時間才能做好，且這一過程日趨復雜化。而3D打印技術不受機械設備和生產模具的限制，利用三維建模加修改來成型零件，有效降低了零件生產成本。

1.4 3D打印技術推動模具制造業的發展

模具制造業作為社會經濟發展的一個重要產業，在國家制造業中發揮著重要作用，而3D打印技術在國際產業競爭中發揮著突出的作用，必須加快推動3D打印技術產業的發展，可以推動企業結合3D打印技術優勢與特征，有效地融合一些新材料、新技術與新工藝，發揮3D打印技術產業作用。

2 3D打印技術的關鍵技術

2.1 選擇性激光燒結工程技術

選擇性激光燒結，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。該項技術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。該技術中的可選擇性指的是技術人員可以通過三維空間軟件重新構建所需要的模型空內置紅外線激光，來完成鋪平、燒結操作。在燒結過程中產生的未熔顆粒規模較大，因此，該技術不能應用在高精度、高密度的模具制造中。

2.2 電子束選區熔化工程技術

3D打印技術中，電子其可以直接制作成型的電子元件受到高度關注，經過相應的調查研究數據顯示，在實際的電子束選區熔化工藝的操作流程中，電子束可以快速掃描金屬設備，掃描的整體區域與掃描速度之間也存在明顯聯系，這樣就可以確保金屬零件的整體質量。結合相應的拉伸試驗發現，該項技術在整體操作過程中，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，金屬零件的質量整體優于傳統技術手段。

2.3 激光凈成型工程技術

凈成型技術是改造了傳統的毛坯成型技術。指零件成型后，由粗糙成型變為優質、高效，僅需少量加工或不再加工，就可成型技術。它利用多學科新技術成果在新材料、新能源、精密模具技術和模擬技術等低成本的成型技術。

通過燒結和激光熔蓋與傳統技術兩相結合，來實現3D打印技術融合多種金屬材料的操作，按照合金粉末差異實現相同功率來進行融化，根據預定的管道分層進行沉淀，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

先進制造的概念主要基于不斷地創新，包括現有激光技術和核心的金屬粉末原材料的不斷測試成功的應用，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用在致密度要求較高的模具中，且不需對材料進行預處理。如激光掃描率增加或者激光功率減少，導致金屬粉末在熔化時出現球化效應，要避免上述情況的發生，那么就需要技術人員把握好各種金屬粉末的熔點。

3 3 D打印技術教育發展對策

3.1 擬建立“技能型”人才培養目標

3D打印工學一體的人才培養，服務于企業用人需要，滿足學生職業生涯發展需求。作為“技能型”人才培養的職業院校，在實際生產崗位上進行“真刀真槍”的訓練，可以明顯改善教學質量，提高學生操作技能，有利于全面提升學生的知識、技能和教學質量。

3.2 擬建立高水平的教師團隊

3D打印技術需要理論教師，同時又要求會操作的教師。職業院校要著眼培養企業需要的人才同時更要培養企業急需的優秀人才。政府有關部門要加大力度和資金支持，注重加強理論教師的培訓和實際操作培訓，鼓勵和激發教師團隊做好“教書匠”。始終堅持教學創新，樹立終身學習理念，把教師團隊建設推上新的臺階，為拓展職業發展，提升教學技能搭建平臺。

3.3 擬建設特色的3D打印技術的課程

（1）3D打印結合模具制造專業有關課程。基礎課程：計算機應用、工程制圖、高等數學、材料加工與成型工藝、機械原理與零件、材料力學概論等。

核心課程：模具CAD（PRO/E）、模具CAD（UG）模具技術經濟分析、3D打印材料應用、逆向工程技術、三維建模與模具設計、快速成型技術等。

3D打印為模具制造帶來了生產周期短、生產成本低，改進模具設計為終端產品增加更多的功能性。

（2）3D打印技術結合新能源汽車專業課程。基礎課程：工程制圖、電工學、工程力學、機械零件與原理、機械制造技術基礎等。

核心課程：汽車構造、傳感技術與測試、CAD/CAE/CAM、發動機原理、3D打印汽車制造應用、逆向工程技術等。

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

（3）3D打印技術結合工業設計專業課程。為了滿足人們對美好生活的需求，力求在教學上進行創新，課程設計上與時俱進。

基礎課程：機械制圖、工程力學概論、人機工程學概論、工業設計概論、設計色彩概論、設計心理學概論、環境技術概論、工業美術概論、素描、造型設計基礎等。

核心課程：產品設計概論、企業形象設計、視覺傳達設計、3D打印技術工業設計應用、逆向工程技術、三維建模與產品設計、雕塑基礎、產品語意傳達概論、產品攝影概論等。

3D打印技術的應用與創新改變了原有的工業設計方式，推動工業產品設計理念的創新與發展具有重要作用。

4 結語

3D打印技術有益于學校現有傳統專業的教學，有益于學校培養高技能創新型“智造”人才，讓學生設計更具個性化的產品，滿足社會和企業對3D打印人才的需求。