淺談金屬SLM3D打印模具零件的教學案例選擇

金玉靜 茅宇楠 儲瑞鵬 陳繼澎 張志鵬 張鈺瑩

1引言

近年來，隨著3D打印技術的快速發展，傳統的生產方式和生活方式也正快速改變著。3D打印技術作為新興制造技術的典型代表，已經從早期在航空航天領域大量應用的金屬3D打印技術，開始轉向了工業、汽車、醫療、模具等市場。

在電子、汽車、電機、儀器、電器、儀表、家電和通信等產品中， 60%-80%的零部件都依靠模具成型，可見模具市場之大。用模具生產零件所表現出來的高精度、高復雜度、高一致性、和低消耗是其他加工制造方法所不能比擬的。模具制造專業通常需要學習塑料模具設計、沖壓模具設計、模具軟件系統以及模具制造工藝。以塑料模具設計中的注塑模具為例，采用傳統制造工藝，在模具開發初期，設計以及開模成本較高，到真正使用所需要的周期較長。但如果采用金屬選區激光熔化3D打印技術（SLM，selective laser melting），則可以解放設計者的設計思路，縮短開發周期，降低前期成本。除此以外，優化過的隨形冷卻水路可以明顯提高注塑產品的冷卻均勻程度，減少塑料產品的脫模時間，并提高產品的合格率。因此，盡快在模具專業教學過程中加入3D打印模具零件的教學是非常必要的。本文將淺談幾個適合模具專業進行3D打印模具零件教學的企業真實案例。

2案例分析

如圖1所示，為注塑模具的隨形冷卻水路優化設計。從圖中可以看出，隨形冷卻水路的設計，解決了模具行業中深腔狹小區域的冷卻問題，實現了注塑件整體的均勻冷卻，減小注塑件變形的同時還縮短了成型周期。超百個零件的同時打印，比傳統加工方式更具成本和制造周期優勢。除此以外，該模具使用了模具鋼，替代了傳統加工中采用昂貴的鈹銅來保障冷卻效果。模具鋼的高硬度，耐磨性及壽命也得到明顯提高。

圖2所示為波輪洗衣機模具，基于金屬激光3D打印技術，開展了一體化設計，融合了貼合壁面的隨形冷卻水路設計。這種分布均衡的水路設計，保證了產品均勻收縮，使得冷卻的一致性更好，提高了產品的質量。而采用3D打印的一體化的打印加工方式，巧妙回避了傳統水路需要考慮的零件拆分以及密封等問題，提高了模具壽命和可靠性，從而降低成本。另外，還可以從圖中看出，該模具由于不是連續體，還需要進行CNC加工，而采用3D打印技術的一體化打印，減少了材料消耗和機加工時間，也明顯縮短模具制造的周期。

上述兩個例子均適合用于模具專業3D打印零件的教學案例。首先，兩種零件均采用了隨行冷卻水路設計，使學生可以直接通過對比理解3D打印技術的工藝原理與應用優勢，為后期學生在水路方面的設計提供了思路。其次，兩種零件的尺寸均不大，可以同時打印的數量較多，即使3D打印設備不足，也可以完成教學任務。再次，兩種零件均使用同種模具鋼粉末，避免了更換打印用金屬粉末造成的設備及配件清理需要的大量前期準備工作和耗材的損失。最后，這兩個案例均源于企業的實際應用，有助于學生了解目前3D打印技術在模具行業的應用情況，以及未來的發展趨勢。同時，展示了我國模具制造業向高端發展的趨勢和力量，提升學生的民族自豪感和學習該門課程的興趣與動力。

3.結束語

隨著3D打印技術的日益成熟以及其成本的不斷降低，3D打印技術將在注塑模具冷卻系統的隨形水路制造領域，以及一體化打印制造領域得到更加廣泛的應用。因此，為了響應《中國制造2025》中對未來制造業具有綠色化、智能化以及高端化的要求，及時在模具專業中加入3D打印的相關教學是非常必要的，選擇將企業真實應用的案例進行教學案例轉化，有助于學生了解模具行業與3D打印技術結合后的最新發展趨勢，同時，也能培養出兼具模具背景與3D打印技術的新型技術技能復合人才，滿足3D打印設備制造商以及3D打印產品應用企業對相關人才的需求，促進3D打印技術在模具行業的持續應用與技術推廣。