3D打印技術在模具行業(yè)中的應用探索

林廣平

【摘 要】介紹工業(yè)制造3D打印技術工藝原理及應用，針對塑料制件產品開發(fā)以及注射模具設計與制造的技術特點和要求，通過3D打印技術的引入革新產品開發(fā)思路及打破傳統(tǒng)注射模具設計與制造工藝，有效提升產品開發(fā)的有效性以及注射模具結構設計的優(yōu)化，解決模具制造技術上的難題，進一步提高和保證模具性能和優(yōu)越的產品質量。

【關鍵詞】3D打印技術；注射模具；3D隨形冷卻系統(tǒng)

一、引言

3D打印技術出現(xiàn)在20世紀90年代中期，其以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將陶瓷粉末、金屬粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品，它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，打印材料由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉變?yōu)榉勰钐沾?、金屬、塑料等經過處理的特殊材料。

在模具行業(yè)中，3D打印可以制造具有特殊結構的模具部件，如3D隨形冷卻系統(tǒng)的成型部件，解決了傳統(tǒng)制造手段難以實現(xiàn)的技術難點，3D隨形冷卻系統(tǒng)的應用有效提高模具的冷卻效率，趨于均勻化，提高了產品質量和生產效率。

二、3D打印技術應用介紹

3D打印技術的出現(xiàn)率先實現(xiàn)增材制造的是快速成形技術，又稱為自由成形技術。無需經過傳統(tǒng)的機加工手段和模具，就能直接制作出復雜的三維模型，并且快速成形只需傳統(tǒng)切削法30%～50%的工時和20%～35%的成本，被譽為可以顛覆傳統(tǒng)工業(yè)制造理念的革命性技術，一項前瞻性可變性創(chuàng)新性非常強的技術，它以其不可比擬的獨特優(yōu)勢作用于傳統(tǒng)制造業(yè)的關鍵環(huán)節(jié)。目前應用比較廣泛的3D打印成型工藝主要有：選擇性激光燒結、選擇性激光熔化、直接金屬激光燒結、立體光固化成型、熔融沉積成型、分層物體制造等，不同類型的工藝在不同的領域有著應用的優(yōu)勢。

三、3D打印技術在模具行業(yè)中的應用

1.3D打印技術在產品設計中的應用

產品設計隨著時代、科技和人文藝術的發(fā)展而不斷更新，隨著3D打印技術的發(fā)展與應用，產品的生產方式已不再成為設計師想象力的束縛，能更專注于產品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新。目前產品設計流程的平行化越來越受到重視，通過改進產品設計開發(fā)流程，并行考慮產品生命周期各階段因素，強調后續(xù)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題要在設計的早期階段就被析出并加以解決，最大限度地減少設計反復，縮短產品設計開發(fā)時間。在產品并行設計條件下，產品開發(fā)過程的各環(huán)節(jié)、各要素在可能的情況下同時工作，協(xié)作運行。在產品并行設計過程中，3D打印技術的應用是整個設計流程的關鍵，設計團隊能夠在設計階段把概念模型精準地變?yōu)閷嵨?，為設計交流與討論提供保障。它有別于傳統(tǒng)的設計思路，僅能借助極為抽象的概念模型或2D平面圖紙作為可視化媒介開展設計討論，無形中限制了團隊間關于開發(fā)產品概念的有效交流。3D打印的應用能夠讓設計團隊中的每個成員，乃至產品用戶都能夠直觀地看到和觸模這些概念模型，比較它們之間的結構、外形和功能的差別與優(yōu)劣，準確地反映出產品概念存在的問題，進而修改設計，重復這個設計迭代過程，直到產品概念完善為止。

2.3D打印在模具制造中的應用

目前制造業(yè)領域使用3D打印技術的企業(yè)眾多，其中模具企業(yè)是應用3D打印技術最多的行業(yè)，常用于樣品的打印，對產品樣品的結構、外觀以及功能進行測試合格后，才開始模具的制造。近年來，隨著金屬3D打印技術不斷革新和成熟，越來越多的模具企業(yè)研究3D打印技術在模具制造中的應用，利用3D打印技術的優(yōu)勢進一步縮短模具生產周期、節(jié)約生產成本。

金屬3D打印在模具制造中主要用于模具鑲件的打印，模具3D隨型冷卻系統(tǒng)型芯型腔鑲件和異形滑塊的直接打印比傳統(tǒng)加工手段的生產效率和效益都大幅提高，并不受產品內部結構及復雜形狀所約束。傳統(tǒng)設計制作的水路都是以鉆孔方式完成，其直線圓管狀造型另須避開結構或組裝原件，因此水路設計極其受限。而使用3D打印技術（DMLS）為模具制造3D隨型冷卻水路，除了可以使模具局部溫度降低或達到均溫之外，并可對模具進行更快速的冷卻處理，這樣將可減少脫模速率和成型周期，并且不會因時間縮短而有殘余應力及翹曲等問題發(fā)生，具有傳統(tǒng)水路無法比擬的冷卻效果。

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)與3D隨型冷卻系統(tǒng)比較，如圖1示。

左為傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，右為3D隨型冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)設計時需考慮鑲件和結構的避讓，無法把冷卻水路設計到合理的位置，如上圖型芯鑲件的冷卻水路無法隨著形狀均勻地設計，因此，冷卻效果會受到極大的影響，局部會受冷卻效果影響使產品存在著變形的風險；傳統(tǒng)冷卻水路的設計受限，主要受到傳統(tǒng)制造工藝的影響，傳統(tǒng)的制造手段無法給冷卻系統(tǒng)設計提供保障，僅能通過鑲嵌或鉆孔的工藝手段實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)布置。隨著金屬3D打印技術的不斷提高和在模具行業(yè)中的應用，給冷卻系統(tǒng)的設計提供了創(chuàng)新的平臺，設計者不用受傳統(tǒng)制造手段的限制，能夠靈活根據模具和鑲件結構設計隨形的冷卻系統(tǒng)，把冷卻水路均勻地布置在模具成型鑲件中，使模具能夠快速冷卻并獲得良好的勻溫效果。

傳統(tǒng)制造手段與金屬3D打印水路比較，如圖2示。

3D隨形冷卻系統(tǒng)相比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)具有如下幾點優(yōu)勢：①有效縮短注塑或壓鑄過程中的冷卻時間，減少脫模速率和成型周期，生產效率將大幅提高，可提升30～70%產能時效與質量良率。②產品不會因時間縮短而有殘余應力及翹曲等問題發(fā)生，有效減少翹曲變形、開裂飛邊、氣泡砂眼等產品缺陷，顯著提升最終產品的質量與成品率；③模具使用壽命得到有效延長，產品單位成本降低。

四、結論

總體說來，國內在3D打印模具制造方面的應用與國外相比存在較大差距。但3D打印技術給模具制造帶來的改變是不容忽視的，3D打印技術引入到模具設計和制造中來將會是一種趨勢。國內目前進行3D打印模具應用研究的企業(yè)并不多，未來3D打印技術的產業(yè)化、市場化，模具制造是一個很好的發(fā)展方向，尤其對于廣大模具制造企業(yè)來說。從3D打印的應用來看，航空航天、軍工領域技術要求較高，醫(yī)療領域準入條件高、個性化定制需求有限，而在模具行業(yè)，結合眾多模具企業(yè)和模具專業(yè)鎮(zhèn)的基礎優(yōu)勢，3D打印的推廣和應用更具有優(yōu)勢。