探討模具制造中3D打印技術的關鍵技術

李文揚

摘要：進入21世紀之后，科學技術高速發展，促使3D建模軟件得到大范圍普及，3D打印技術也因此得到了應用和發展。3D打印技術的問世是一件改變傳統制造業模式的事情，自問世以來，3D打印技術已經成為行業發展最為前端的產品，并且逐漸在各行各業進行了廣泛的滲透模具是工業生產中重要的技術基礎，模具行業是一個跨度非常大的行業，與制造業的各個領域都有關聯。因此，本文主要探討在模具制造過程中合理有效的使用3D打印技術，能有效提升模具設計和制造的整體效率，推動模具向更復雜、更經濟、更快速的方向發展。

關鍵詞：模具制造;3D打印;關鍵技術

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打印技術的應用可以制造出結構較為復雜的零件，實現傳統工藝形式無法達到的打印效果，簡化了生產流程，加快了制造速度，是未來所重點發展的技術類型。

1 3D打印技術概述

3D打印技術也被稱作是增材制造，主要是在數字化技術支持下來對規則或者不規則三維化、立體化固體物品處理加工所展現的能力。通過高效率的處理加工會讓物體快速成型。從應用本質上來看，3D打印技術是依托計算機技術所開發設計出的一種輔助性軟件，在這個輔助性軟件的作用下會對特定加工模型實施數字化切片處理，由此將實體模型加工改變為數字模型，為相關人員的工作開展提供支持。

2 3D打印技術在模具制造中的應用優勢

3D打印技術是以三維數字模型為基礎，運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造物體的技術，又稱增材制造。近年來，隨著3D打印技術的推廣與應用，人們逐漸發現，它可以彌補傳統制造方法的短板，在模具制造領域中具有廣闊的應用前景。而在模具制造中合理使用3D打印技術，能夠有效彌補傳統模具加工技術中存在的不足，它方便快捷、應用廣泛，整個過程不需要使用任何刀具或其他模具，可直接在計算機上設計產品、規劃生產流程、優化工藝、完善生產問題，能有效提升計算精確度，縮短工作時間，提高工作效率。

3模具制造中3D打印技術的關鍵技術

3.1熔融材料沉積與熱成形打印技術

分析熔融材料沉積與熱成形打印技術主要是應用于各種高分子打印材料的快速打印，其技術可以充分利用打印材料的化學熱熔性、熱學可塑性與材料黏結性三個特征，一層層打印進行快速打印材料模型的熔融堆積與熱成形。這種技術及其優點是因為使其材料多樣、強度高與制造成本低，但其在構件產品設計制造工藝精度高等方面可能達到得不到實際要求，不能廣泛用于復雜的鋼結構構件產品的設計制作。

3.3立體光固化成型工藝技術

立體光固化成型工藝技術主要是將特定波長、強度的紫外線或激光，聚焦照射到一種液態立體光敏感性樹脂成型材料的晶體表面，使其由光向點從光到點向線、由點從線到點表面從而發生光聚合反應的成型技術，該成型技術被稱為最常見的3D型光打印成型技術。該系列打印材料技術同時具有打印材料綜合利用率高、強度高與打印精度高的三大特征，可以廣泛應用于大到精細機械零件的塑料加工與印刷打印中。

4 3D打印技術在模具制造中的應用方式

快速模具是將3D打印技術應用于模具制造技術中形成的產物，按制模材料可分為軟質模具和硬質模具，按制模工藝可分為直接制造模具和間接制造模具。下面介紹幾種典型的應用方式：

4.1直接制造軟質模具

直接制造軟質模具是以硅橡膠、環氧樹脂、低熔點合金和覆膜砂為原料，通過3D打印技術直接成形的模具，主要技術由SLS（選擇性激光燒結）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燒結成型，具有制造工藝簡單、材料利用率高、價格便宜、成型速度快等特點，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到用常規模具制造方式制造的砂模，但其結構疏松、多孔、有內應力、表面粗糙，而且容易產生有毒氣體和粉塵，造成環境污染。SLA是基于液態光敏樹脂光聚合原理工作的，是目前研究最多、技術上最為成熟的方法。

4.2間接制造軟質模具

間接制造軟質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打印技術制造模芯，再以模芯為母模復制加工模具，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較低的合金或金屬，形成金屬薄殼后再填充復合材料制成模具，這樣的方式制造速度快，常用于標準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?？騼龋缓笙蚰？騼葷茶T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常會出現模具固化不完全，生產零件時出現溢料等問題。

4.3直接制造硬質模具

利用3D打印技術直接生產模具和金屬零件，是近幾年的主要研究課題。SLM是通過高功率的激光直接將金屬粉末熔化，經冷卻凝固而成型的一種技術，整個過程不需要黏結劑。常用的金屬粉末有鐵粉和銅粉，銅粉一般用于強度要求較高的零件，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打印技術制作模具時，打印過程必須非常穩定，才能生產出高密度零件，進而保證后續加工中實現完美的表面光潔度。

結束語

隨著3D打印技術的發展，其應用領域越來越廣泛。3D打印的高復原和高精度數字化功能在模具制造行業很受歡迎。但3D打印技術也存在打印材料單一、價格昂貴、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，目前打印工藝還在繼續摸索中，仍需進一步優化成型工藝參數，增加打磨、拋光等后處理工藝，提升打印成品質量。

參考文獻

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