3D打印技術在模具行業(yè)中的應用研究

陳黎明+胡智清+劉少華

摘要：目前，產品的制造主要依賴于模具的制造技術，在現代化工業(yè)生產中，60%～90%的工業(yè)產品需模具加工。模具制造提高了生產速率，為產品的快速更新創(chuàng)造了條件。但模具制造也有一定的局限性。模具設計水平的高低、加工設備的好壞、制造力量的強弱、模具質量的優(yōu)劣，都會影響新產品的開發(fā)和舊產品的更新?lián)Q代。考慮到市場風險的影響，模具的加工必須保證一定量的生產，才能降低產品的成本。3D打印技術是增材制造（additivemanufacturing，AM）技術的俗稱，與傳統(tǒng)的制造方法相互補充。3D打印技術的出現，使傳統(tǒng)的模具制造技術有了重大的改革和突破。

關鍵詞：3D打印技術；模具制造；應用

中圖分類號：TP33文獻標識碼：A

引言

隨著裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，新技術的應用越來越廣泛，通過對本地區(qū)企業(yè)的調查發(fā)現，當前制造企業(yè)由于技術、成本等各方面的要求，對于模具的生產制造已經逐步向低成本高效率邁進。模具技術人才是掌握模具材料成型工藝與模具設計、CAD/CAE/CAM技術、先進制造技術等多門類技術的復合型人才?，F階段模具設計與制造專門人才采取的都是基于CAD/CAM/CAE技術，通過數字化制圖，模具的數字化設計，模具的數字化分析仿真，產品成形過程模擬，然后通過機床的數控加工，完成模具的生產。

1 3D打印及其原理

3D打印是一種以數字模型文件為基礎，采用離散材料，通過逐層堆疊累加原理制造實體零件的技術。它將材料一次性熔聚成型，自下而上材料累加的制造工藝，改變了傳統(tǒng)去處材料和利用模具加工的模式，從而帶來了制造工藝和生產模式的變革。該技術融合了數字技術、新材料技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動等技術，發(fā)展成多學科交叉的一種先進制造技術，3D打印包括數據處理和制作兩個過程。數據處理過程利用三維計算機輔助設計數據，將三維圖形分切成薄層，完成將三維數據分解為二維數據的過程，從而指導打印機逐層打??；制作過程中，打印機通過讀取文件中的橫截面信息，將這些薄層逐層地打印出來，再采用不同方法將薄層按序疊加，實現二維薄層到三維實體的制造過程。這種三維設計—二維打印—三維實體的制造思想，改變了傳統(tǒng)的制造模式。

2 3D打印技術特點

3D打印技術的應用會隨著時間的推移而發(fā)揮更大的作用，成為促進制造產業(yè)升級的方法之一。該技術主要有三個特點，生產周期短，復雜模型成型快，制造精度高。3D打印技術可以縮短生產周期，簡化生產步驟，省略了傳統(tǒng)制造業(yè)中的一些加工程序，從設計到成品的全過程都可以在計算機中完成，大大提高生產效率。同時，3D打印機生產產品可以不考慮目標產品的復雜程度，直接對復雜模型進行制作。該技術在制作產品曲面中有不可替代的優(yōu)勢。此外，制造精度較高的產品中，3D技術制造后的結構可以達到更高的精度，包括尺寸、形狀和位置精度等，這也是模具加工行業(yè)沒有的亮點。

3 3D打印技術在模具行業(yè)中的應用

3.1 職業(yè)模具開設3d打印技術課程的實施

3.1.1課程的制定

當前模具專業(yè)在職業(yè)是屬于機械類大專業(yè)，作為機械專業(yè)的衍生專業(yè)，其開設的課程包含機電專業(yè)的相關課程。主要內容包括：機械制圖、機械設計與基礎、冷沖模設計與制造、注塑模設計與制造、數控技術與編程、模具加工機械、電工與電子技術、液壓與氣動傳動、金屬切削原理、機械CAD/CAE/CAM等。在此基礎上增設專業(yè)核心課程：3D打印技術概論、快速成型技術與應用、3D測量與逆向工程技術、3D打印綜合技能實訓等。

3.1.2培養(yǎng)目標的修改

當前《江蘇省中等職業(yè)學校模具專業(yè)課標準》中規(guī)定模具專業(yè)培養(yǎng)的目標：具有本專業(yè)必需的自然科學、社會科學和管理科學知識；掌握計算機基礎知識、必要的網絡知識、常用軟件知識；具有基本的機械基礎知識；具有本專業(yè)必需的機械設計理論基礎知識、模具材料及成形工藝、模具設計與制造專業(yè)知識；掌握模具CAD/CAE/CAM基礎知識；具有必要的模具維修基礎知識。

3.2 快速模具技術

1）直接制造軟質模具

1.選區(qū)激光燒結砂模

砂模可直接由選區(qū)激光燒結技術加工完成。激光的能量使高分子粘結劑熔化，粘結沙礫。這種方法獲得的砂模，其鑄造的金屬件的精度與表面粗糙度與由傳統(tǒng)的方法制造的砂模鑄造件性能相似。

1.光固化復合材料制模

這種方法是把鋁粉與環(huán)氧樹脂混合為原料，然后光固化形成模具。相對于DirectAIM制模法，這種方法的優(yōu)點是提高了模具強度。為了進一步提高熱傳導能力，可往混合材料中加入金屬鋁粒，這樣大大縮短了制模時間。這種制模方法的優(yōu)點就是提高了模具的熱傳導能力，減少了制模時間。

2）間接制造軟質模具

1.硅橡膠澆鑄法

硅橡膠澆鑄的模具具有良好的柔性和彈性，能制作出結構復雜的零件，通常用于功能性塑料、金屬和陶瓷零部件的制造。硅橡膠模具有以下優(yōu)勢：①硅橡膠型腔能分辨出母模的微小細節(jié)，模具精度高；②可減少回程問題（也就是沖模鎖死或零件不能從模具里面取出來）。

2.金屬噴涂法

該方法以3D打印原型作為母模，將低熔點金屬或合金噴涂到母模表面上形成金屬薄殼，然后背襯填充復合材料來制模具的方法。此方法能快速地生產鑄模，鑄?？捎脕砑庸ひ恍藴柿慵＝饘賴娡康倪^程是用便攜式噴槍完成的。電弧在兩根金屬絲之間，把金屬絲熔化成小液滴。壓縮空氣把小液滴吹到模型表面，形成大約0.5mm的金屬層。

3.樹脂澆鑄法

樹脂澆鑄法和硅橡膠澆鑄法相似，首先將母模放置在砂箱里，用塑料土標出母模的分割標識線；然后將樹脂倒入母模，浸潤母模到標識線。樹脂中可混入鋁粉或金屬小顆粒，其目的是提高模具的力學和熱學性能。硅橡膠模具適用于小批量生產，如果制品數量較大時，則可用注塑模、吸塑模及聚氨酯發(fā)泡成形模等。

4 結束語

綜上所述，模具制造行業(yè)和3D打印技術都在飛速地發(fā)展，兩者相互補充、相互促進。國際模協(xié)會秘書長認為，在未來3D打印機可以完成三成的工業(yè)產品，剩下的七成還是需要有模具生產制造出來。同時，3D技術與逆向工程及測量工程有機聯(lián)合在一起，可以促進模具制造領域的技術更新，不斷攻克3D打印技術現存的技術難題，使得3D打印技術在模具研發(fā)設計和制造中有更廣闊的應用。

參考文獻：

[1]陳興龍，陶士慶，李志奎，孫靜，董湘茹.3D打印技術在模具行業(yè)中的應用研究[J].機械工程師，2016，01：174-176.

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