3D打印于新產(chǎn)品的研發(fā)及模具制造上的應(yīng)用

李躍林

摘 要：本文以新研發(fā)產(chǎn)品外殼為例，利用3D打印技術(shù)制造快速成型，完成新產(chǎn)品研發(fā)成果的輸出，為新產(chǎn)品外殼模具制造提供實物參考，縮短模具制造的時間，加快產(chǎn)品快速上市。

關(guān)鍵詞：3D打??；新產(chǎn)品研發(fā)；模具制造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.220

0 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)，即“增材制造 ”。是一種以計算機三維模型為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，采用逐層疊加的制造方式將材料緊密組合在一起的工藝。主要的3D打印技術(shù)有熱熔堆積成型、光固化成型、三維粉末粘接成型、選擇性激光燒結(jié)成型等。

加工工作流程：CAD軟件建?！?D建模→（分割）二維圖形信息→（打?。┤S模型→后處理→產(chǎn)品輸出。

1 3D打印產(chǎn)品

本文以公司新研發(fā)的一款傳感器外殼為例，利用3D打印技術(shù)快速獲得產(chǎn)品實物。

1.1 利用CAD軟件（如UG）進行建模

根據(jù)產(chǎn)品的工程圖，用三維軟件進行建模。二維CAD圖紙已經(jīng)在前期開發(fā)過程中設(shè)計出來，利用3維UG軟件，進行1：1建模，核對尺寸后輸出3D打印機能夠識別的STL文件。

1.2 3D打印

打印的原理類似于常規(guī)的噴墨打印機，常規(guī)的噴墨打印機一次就將整個2維平面的文字或者圖案打印出來，而3D打印機在完成一層打印后會在此基礎(chǔ)上進行第二次噴繪，最終完成整個打印過程。我們將3維軟件建模生成的STL文件轉(zhuǎn)交給外協(xié)3D打印服務(wù)商，6個小時拿到打印好的產(chǎn)品。

1.3 打印產(chǎn)品的性能

此次打印的產(chǎn)品使用的打印材料為PLA，通過實物外觀可見，產(chǎn)品底部為光滑的一層。從實物側(cè)面看，可清晰的看見3D打印層層堆積產(chǎn)生的層次記錄。強度和韌性度較好。通過破壞去除一個裝配支撐點，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部空洞。在尺寸控制上，對比圖示尺寸，尺寸偏小，是因為打印后熱脹冷縮導(dǎo)致收縮。此外殼凹槽內(nèi)安裝一塊PCB板，在裝配過程中，發(fā)現(xiàn)由于產(chǎn)品收縮導(dǎo)致的內(nèi)部尺寸偏小影響裝配，通過打磨PCB板外輪廓完成裝配。兩端凸臺中心螺紋孔，螺紋效果差，難以與螺釘進行裝配。

2 3D打印產(chǎn)品在模具制造上的應(yīng)用

通過對3D打印產(chǎn)品實際使用后，證實產(chǎn)品外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。下一步將開展設(shè)計產(chǎn)品的開模，進行批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的塑料外殼制造過程為，產(chǎn)品機械圖紙設(shè)計完成后進行模具制造可行性分析。完成后再進行模具制造，開模完成后試制，最后完成產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

本次制造所需產(chǎn)品，除給開模制作廠家設(shè)計圖紙，同時提供3D打印產(chǎn)品模型，可以直觀的展現(xiàn)所開模產(chǎn)品的實際外觀和內(nèi)部構(gòu)造，減少了讀圖的時間。實物模型可以很好的作為開模的參照，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的失誤和不合理，以便及時修正相關(guān)設(shè)計。模具制造廠家針對實物模型，結(jié)合圖紙?zhí)峁┑漠a(chǎn)品設(shè)計尺寸，采購原材料，經(jīng)加工完成模具制作。模具制造完成后經(jīng)試模，產(chǎn)生的產(chǎn)品尺寸達到了設(shè)計的要求，誤差控制在合理的范圍，考慮到產(chǎn)品在制造過程中出現(xiàn)的不均衡收縮，在模具設(shè)計階段已做相關(guān)安排設(shè)計。從開始制作到產(chǎn)品試制完成減少了30%的時間。

3 3D打印技術(shù)用于新產(chǎn)品研發(fā)的優(yōu)點

3.1 3D打印技術(shù)可以加快產(chǎn)品的研發(fā)進度

3D打印產(chǎn)品快速成型，為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了很好的支撐，可以承受在新產(chǎn)品開發(fā)時頻繁的更換設(shè)計和修改，提高了靈活性和適應(yīng)性。大大減少了模具制造修改帶來的風(fēng)險，為產(chǎn)品的設(shè)計成型提供了強有力的保證。

3.2 3D打印技術(shù)可以減少研發(fā)成本

實際3D打印制造是分層制作，最終成型，制造復(fù)雜物品不增加成本，產(chǎn)品多樣化不增加產(chǎn)品。對于新產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品的數(shù)量需求較少，單件，小批量等。只需少量的資金就可以得到所需的產(chǎn)品，減輕了研發(fā)成本，提高了成品的市場競爭力。特別是對于比較復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)并不會增加額外的成本，而一旦通過模具制造得到產(chǎn)品，前期的開模成本大。其次，模具制造完成后，因設(shè)計變更和完善修改等帶來的模具修改費用同樣很大，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具無法進行修改，導(dǎo)致第一次的模具報廢，模具制造的費用變成沉沒成本。

3.3 3D打印技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期

從圖紙設(shè)計到3D打印產(chǎn)品的輸出，不同的產(chǎn)品所需的時間不同。針對本文中的案例，從開始畫圖到拿到3D打印產(chǎn)品只用了24小時。以前不可能在這么短的時間完成所需產(chǎn)品，傳統(tǒng)制造方式需通過先開模再進行制作，至少需要10天。

4 3D打印技術(shù)的缺點

4.1 3D打印的零件尺寸受限。

2013年大連理工大學(xué)教授姚山及其團隊花費10多年，終于成功研制出工作面尺寸達1.8x1.8m級的激光3D打印機，該技術(shù)創(chuàng)造了世界最大3D打印機記錄，但這些設(shè)備仍不能滿足工業(yè)上大型模具產(chǎn)品的制造。實際使用中的3D打印設(shè)備大部分都在1x1m級以下，遇到大型產(chǎn)品的制造難于滿足要求。

4.2 3D打印產(chǎn)品的力學(xué)性能難保證。

力學(xué)性能是零件的重要參數(shù)，對零件的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、作用失效及分析、使用和工作壽命提供了主要依據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)控切削加工為了達到零件的力學(xué)性能，在生產(chǎn)過程中通過對零件進行時效、熱處理等相關(guān)工作。

4.3 3D打印技術(shù)可供使用的材料較少

目前我國的3D打印材料幾乎完全依賴進口，就目前掌握最多打印材料的以色列Object公司也只使用14種基本材料，107種混搭材料，而這些材料中能用于工業(yè)的就更少。

5 結(jié)束語

企業(yè)在開發(fā)新產(chǎn)品時，利用3D打印技術(shù)制造樣品，傳統(tǒng)制造技術(shù)進行批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)制造的批量生產(chǎn)彌補3D打印速度慢、制作終端產(chǎn)品成本高的劣勢；3D打印加快了產(chǎn)品上市的時間，提高了經(jīng)濟效率。3D打印技術(shù)還不能替代傳統(tǒng)制造技術(shù)，針對3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)加工技術(shù)存在的不足和優(yōu)勢讓它們相容互補是目前3D打印技術(shù)發(fā)展的方向。

參考文獻：

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