3D打印技術(shù)在模具中的應(yīng)用*

田 芳 龐旭剛

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，內(nèi)蒙古 包頭014035)

1 3D 打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用優(yōu)勢

3D打印技術(shù)是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式構(gòu)造物體的技術(shù)，又稱增材制造。近年來，隨著3D 打印技術(shù)的推廣與應(yīng)用，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，它可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)制造方法的短板，在模具制造領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。模具領(lǐng)域中需要不斷地研發(fā)新產(chǎn)品，某些產(chǎn)品采用傳統(tǒng)制造工藝進(jìn)行加工時(shí)，會出現(xiàn)周期長、成本高、加工程序復(fù)雜等問題，甚至影響到產(chǎn)品的研發(fā)與推廣，造成經(jīng)濟(jì)損失。而在模具制造中合理使用3D 打印技術(shù)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)模具加工技術(shù)中存在的不足，它方便快捷、應(yīng)用廣泛，整個(gè)過程不需要使用任何刀具或其他模具，可直接在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)產(chǎn)品、規(guī)劃生產(chǎn)流程、優(yōu)化工藝、完善生產(chǎn)問題，能有效提升計(jì)算精確度，縮短工作時(shí)間，提高工作效率。目前，已將其應(yīng)用于成型、造模、檢驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，表現(xiàn)出非常好的應(yīng)用優(yōu)勢[1]。

2 3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用方式

快速模具是將3D打印技術(shù)應(yīng)用于模具制造技術(shù)中形成的產(chǎn)物，按制模材料可分為軟質(zhì)模具和硬質(zhì)模具，按制模工藝可分為直接制造模具和間接制造模具[2]。下面介紹幾種典型的應(yīng)用方式：

2.1 直接制造軟質(zhì)模具

直接制造軟質(zhì)模具是以硅橡膠、環(huán)氧樹脂、低熔點(diǎn)合金和覆膜砂為原料，通過 3D 打印技術(shù)直接成形的模具，主要技術(shù)由SLS(選擇性激光燒結(jié))和SLA(光固化成型)兩種。

SLS采用紅外激光器作能源，逐層將粉末材料有選擇性地?zé)Y(jié)成型，具有制造工藝簡單、材料利用率高、價(jià)格便宜、成型速度快等特點(diǎn)，可直接完成砂模制造。其打印制件的精度和表面粗糙度都可以達(dá)到用常規(guī)模具制造方式制造的砂模，但其結(jié)構(gòu)疏松、多孔、有內(nèi)應(yīng)力、表面粗糙，而且容易產(chǎn)生有毒氣體和粉塵，造成環(huán)境污染。

SLA是基于液態(tài)光敏樹脂光聚合原理工作的，是目前研究最多、技術(shù)上最為成熟的方法。應(yīng)用該技術(shù)制成的塑料模具精度較高，能有效解決傳統(tǒng)制作工藝無法完成的復(fù)雜外形，但其成型時(shí)間較長，且制件力學(xué)性能較差，容易發(fā)生破損。有團(tuán)隊(duì)在環(huán)氧樹脂中加入金屬鋁粉，并對其進(jìn)行光固化成型后制作成了模具，這樣不僅提高了機(jī)械強(qiáng)度，還提高模具的熱傳導(dǎo)能力[3]。

2.2 間接制造軟質(zhì)模具

間接制造軟質(zhì)模具的原材料與直接制造的方式相同，不同之處是需要先用 3D 打印技術(shù)制造模芯，再以模芯為母模復(fù)制加工模具，主要有金屬噴涂和硅橡膠澆鑄兩種方式。金屬噴涂是在3D 打印原型的表面噴涂熔點(diǎn)較低的合金或金屬，形成金屬薄殼后再填充復(fù)合材料制成模具，這樣的方式制造速度快，常用于標(biāo)準(zhǔn)件的模型加工制造中；硅橡膠澆鑄是在模型表面涂刷脫模劑后，將其固定放置在模框內(nèi)，然后向模框內(nèi)澆鑄硅橡膠懸浮液，等其完全固化后，沿分割線將其剖開，把模型取出后就可以得到一套硅橡膠模具，但這樣的制作方式經(jīng)常會出現(xiàn)模具固化不完全，生產(chǎn)零件時(shí)出現(xiàn)溢料等問題[4]。

2.3 直接制造硬質(zhì)模具

利用3D 打印技術(shù)直接生產(chǎn)模具和金屬零件，是近幾年的主要研究課題。SLM(全稱為selective laser melting)是通過高功率的激光直接將金屬粉末熔化，經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)，整個(gè)過程不需要黏結(jié)劑。常用的金屬粉末有鐵粉和銅粉，銅粉一般用于強(qiáng)度要求較高的零件，鐵粉常用于零件精密程度較高的模具制造中，模具的表面光潔度直接決定最終注塑零件的外觀。因此，使用3D打印技術(shù)制作模具時(shí)，打印過程必須非常穩(wěn)定，才能生產(chǎn)出高密度零件，進(jìn)而保證后續(xù)加工中實(shí)現(xiàn)完美的表面光潔度[5]。

3 模具冷卻水路的3D打印

制作模具隨形冷卻水路是3D打印技術(shù)在模具領(lǐng)域工業(yè)化應(yīng)用的主要方向，利用金屬 3D 打印制造的隨形冷卻水路既能減少注射成型周期，又可以解決因冷卻不均勻、模具溫度過高等導(dǎo)致的制件燙傷、變形等品質(zhì)問題。

3.1 設(shè)備與材料

本次使用設(shè)備為HK M300金屬打印機(jī)，是利用激光器對各種金屬材料，如鈦合金、鋁合金以及CoCrMo合金、鐵鎳合金等粉末材料直接燒結(jié)成形,可直接燒結(jié)金屬零件、注塑模具、金屬零件等,該設(shè)備成型室尺寸300×300×300,激光器功率500W。

打印材料為316L不銹鋼，標(biāo)準(zhǔn)牌號為 022Cr17Ni12Mo2，主要含有 Cr、Ni、Mo，具有優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是耐點(diǎn)蝕性能，加工硬化性能優(yōu)異。抗拉強(qiáng)度584MPa，屈服強(qiáng)度494MPa ，物理性能如表1所示。

表1 316L不銹鋼的物理性能

3.2 打印前準(zhǔn)備工作

模型打印前需要在工作臺上安裝基板，在刀架上安裝刮刀，并按操作要求將其調(diào)平；打印過程中需要使用99.999%高純氬氣，并將其充滿成型室，以避免金屬氧化。通氣時(shí)間大約為1.5小時(shí)，當(dāng)顯示測氧0.01、測壓1.5時(shí)方可進(jìn)行打印。

3.3 模型準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)是以某塑料模型芯作為研究對象，為了更好地提升冷卻的效果，我們在型芯上設(shè)計(jì)了隨形冷卻水道。傳統(tǒng)的加工方式是不能在型芯上設(shè)計(jì)冷卻水道，也不能對冷卻水道進(jìn)行加工的，但應(yīng)用 3D 打印技術(shù)就可以有效的解決當(dāng)前的困境，可以將異形水道加工成實(shí)際產(chǎn)品，且加工出來的型芯仍具有一定的整體性，冷卻問題還能得到有效解決，在一定程度上提升了型芯的冷卻效果，提高了模具制造的整體質(zhì)量。該模具型芯結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部水路選擇環(huán)形設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖1 型芯三維圖

圖2 水路示意圖

3.4 添加支撐

在打印前使用Magics軟件對模型進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，結(jié)合型芯結(jié)構(gòu)，綜合考慮打印時(shí)間、表面質(zhì)量等因素，選擇大平面向下擺放。為確保零件整體高度，對模型底部進(jìn)行增厚0.5mm，給后期支撐去除留有足夠的切割余量；對于冷卻管道，若在內(nèi)部添加支撐，后期去除支撐難度較大，所以在水路內(nèi)部不添加任何支撐，其余部分選擇使用塊狀支撐類型，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型支撐示意圖

3.5 確定打印參數(shù)

模型正式打印前要確認(rèn)工件的各項(xiàng)參數(shù)是否合適，比如分層厚度、在工作臺上的相對位置，支撐是否與零件重合，打印功率等，確保各項(xiàng)參數(shù)準(zhǔn)確無誤后即可開始打印。本次打印約為10小時(shí)，部分參數(shù)如表2所示。

表2 打印參數(shù)設(shè)置

3.6 成型后處理

3.6.1 清粉

打印結(jié)束后，升起工作缸，將淹沒在粉料里的型芯取出來，用毛刷進(jìn)行初步清理，將型芯周圍的粉料回收后循環(huán)使用。型芯冷卻水道里有很多殘留的粉料，比較難清理，采用吹風(fēng)機(jī)、壓縮空氣直接清粉，對有些不能處理的細(xì)小地方還需要用鐵絲或其他工具將粉末清除。整個(gè)操作過程操作人員都需佩戴防塵口罩，并合理清除廢料，防止廢料污染環(huán)境。

3.6.2 去支撐

去除支撐一般有兩種方法：支撐較繁雜、產(chǎn)品較大的推薦使用線切割的方式進(jìn)行；支撐較簡單、產(chǎn)品為小件的時(shí)可采用鑿子直接取件，這樣能達(dá)到節(jié)省時(shí)間的目的。本次打印的型芯去除支撐采用的方式是線切割，并對線切割完成后的底表面進(jìn)行打磨處理，保證其平面度，操作時(shí)間大約為1.5小時(shí)。

3.6.3 噴砂

型芯清粉后進(jìn)行噴砂處理，既可以提高工件的光亮度和精美程度，還可以消除熱應(yīng)力，防止在后期使用過程中出現(xiàn)開裂和變形現(xiàn)象。本次實(shí)驗(yàn)中，處理完成后型芯如圖4所示，型芯表面仍有部分粘的粉料清除不干凈，導(dǎo)致成品表面光潔度不佳。

圖4 打印成品

4 結(jié)論

從文中可以得出，應(yīng)用3D打印技術(shù)能合理有效解決冷卻水路加工技術(shù)問題，更好地提升模具制造的效率和質(zhì)量，技術(shù)優(yōu)勢顯而易見，但也存在打印材料單一、價(jià)格昂貴、打印效率有待提升、零件尺寸受限、打印成品表面不夠光滑等缺點(diǎn)，目前打印工藝還在繼續(xù)摸索中，仍需進(jìn)一步優(yōu)化成型工藝參數(shù)，增加打磨、拋光等后處理工藝，提升打印成品質(zhì)量。