金屬3D打印的可行性分析及應(yīng)用

0 引 言

金屬3D打印零件在模具上主要應(yīng)用于隨形水路，隨形水路可縮短產(chǎn)品注射周期，減少因冷卻不均而引起的變形，提高產(chǎn)品成型質(zhì)量，受到很多模具企業(yè)的青睞。金屬3D打印工藝的主要耗材為金屬粉末，近年隨國產(chǎn)粉末的上市，價格雖有所下降，但相比傳統(tǒng)的模具鋼仍然很貴。如何有效合理地應(yīng)用3D打印技術(shù)，更好地服務(wù)于模具行業(yè)，是金屬3D打印的關(guān)鍵技術(shù)方向。基于此，在滿足模具零件強度等各方面性能的前提下，減輕零件質(zhì)量以達到降本的目的。

1 模具零件3D打印

通常1副模具由CAD工程師設(shè)計水路，CAE工程師進行冷卻分析驗證，確定模具冷卻水路方案。制造環(huán)節(jié)由3D打印工程師基于CAD工程師提供的3D數(shù)模進入3D打印工作流程，具體的模具零件3D打印流程如圖1所示。

根據(jù)加工方式不同，3D打印分為整體式打印和嫁接式打印。整體式打印是在底板水平面上直接打印整個零件，如圖2所示。嫁接式打印是將零件分為兩部分，一部分使用傳統(tǒng)工藝加工，稱為基座，另一部分采用3D打印，使兩者緊密結(jié)合成一個零件，如圖3所示。

整體式打印與嫁接式打印相比，3D打印零件一次性成型，縮短了制程，減少了基座的采購和加工環(huán)節(jié)，缺點是打印時間長、材料成本高，導(dǎo)致最終的綜合成本高，不利于3D打印技術(shù)的全面推廣應(yīng)用。此外，模具零件3D打印由于受工程師個人經(jīng)驗和能力限制，對模具零件進行可行性分析時不全面，導(dǎo)致零件打印質(zhì)量異常，反復(fù)打印，成本高且影響模具的交付周期。

2 模具零件3D打印的可行性分析

注射模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由成型系統(tǒng)、側(cè)向分型系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、推出系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)組成。其中溫控系統(tǒng)包括加熱和冷卻兩部分，通常使用3D打印技術(shù)制造。3D打印零件的質(zhì)量主要取決于人員、金屬粉末、數(shù)據(jù)設(shè)計、設(shè)備、打印過程和后處理等因素，尤其是數(shù)據(jù)設(shè)計，其工藝規(guī)劃直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量和成本。

南北朝民歌的風格、內(nèi)涵都與地域有著緊密的關(guān)聯(lián)。南朝民歌有吳歌、西曲兩類，多產(chǎn)生于長江流域商業(yè)發(fā)達之地，以反映男女之情的情歌特別發(fā)達，感情真摯細膩，情調(diào)艷麗柔弱，哀怨纏綿，綺麗精工，有較多的市井氣息，多為整齊的四言或五言。郭茂倩《樂府詩集》曰：“吳歌雜曲，并出江南。……蓋自永嘉渡江之后，下及梁、陳，咸都建業(yè)，吳聲歌曲起于此也?！薄拔髑璩鲇谇G、郢、樊、鄧之間，而其聲節(jié)送和與吳歌亦異，故依其方俗而謂之西曲云?！盵4]北歌多產(chǎn)生于大漠草原，主要反映以鮮卑族為主的北方游牧民族的生活情景，風格多爽朗奔放，質(zhì)樸剛健，形式上以雜言多見。

要生產(chǎn)綜合性價比高的零件，在進行打印工作前，3D打印工程師需要協(xié)同CAD工程師、CAM工程師對零件進行全面的基于成本和工藝的可行性分析，并編制可行性分析報告（簡稱“DFM報告”），以下重點闡述3D打印DFM報告的內(nèi)容。

（3）出現(xiàn)粉量不足的情況時，需打開倉門加粉。加粉完成后檢查激光鏡頭是否粘上金屬粉，如有則要及時擦去，可使用吸塵器清除倉內(nèi)漂浮的金屬粉，關(guān)好倉門重新充氣待達到要求后繼續(xù)打印。

2.1 產(chǎn)品信息

詳細了解注射產(chǎn)品的信息，如產(chǎn)品尺寸、材質(zhì)、表面處理工藝等。

2.2 零件信息

詳細了解模具零件的信息，如零件尺寸、質(zhì)量、模具鋼材、使用場合等。

2.3 水路設(shè)計

隨形水路是基于3D打印技術(shù)的新型模具冷卻水路（見圖4）。因其加工特性，隨形水路可以較好地貼合產(chǎn)品形狀，且水路截面可以設(shè)計成任意形狀。由于3D打印工藝的特殊性，設(shè)計師應(yīng)基于以下原則對隨形水路進行設(shè)計：①水孔進出口位置應(yīng)按照模具的設(shè)計要求；②零件固定方式及位置應(yīng)按照模具的設(shè)計要求；③水路設(shè)計越簡單越好，轉(zhuǎn)彎越少，水路內(nèi)的水壓損失越少，流速越快；④水路進出口之間的溫差最好在2～5℃；⑤水路直徑：

3 mm≤

＜

8 mm；⑥水路距3D打印零件邊的最小壁厚不能小于2.5 mm；⑦在水路進出口處設(shè)計0.8 mm的薄片，防止線切割加工時的水進入水路導(dǎo)致水路清粉困難。

2.4 模流分析

基于成本、產(chǎn)品特征分析，此鑲件采用嫁接式打印，如圖13所示。

模具設(shè)計前期，通常運用模流分析軟件對注射成型過程進行模擬仿真，通過對熔體溫度、模具溫度和注射時間等主要加工參數(shù)提出一個目標趨勢；估定保壓時間、壓力及保壓效果；預(yù)測產(chǎn)品翹曲變形方向、范圍大小及原因，通過這些結(jié)果對模具設(shè)計方案的可行性進行前期評估，隨后完善模具設(shè)計方案及優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計方案。模流分析與實際成型零件如圖5所示。

2.5 零件特征分析

對零件特征進行分析，主要分析零件的縱橫比和圓徑比，杜絕因比例不均導(dǎo)致的打印失敗。通常零件縱橫比（高寬比）

/

＜8，圓徑比（高徑比）

/

＜10。不滿足8∶1的縱橫比時，零件上部可能會產(chǎn)生變形風險，因此在中間部分加一段輔助支撐，如圖6所示，可以增加此零件的強度，防止變形。

2.6 打印方式

綜合考量成本和工藝，按以下思路選擇打印方式：①盡可能優(yōu)先選用嫁接式打??；②盡可能一次成型多個零件，零件間保持適當間距；③嫁接打印時，基座與底板要用螺釘固定；④嫁接打印時，根據(jù)零件底部輪廓線設(shè)計一個薄壁特征，用來檢查打印部分底部輪廓與基座頂部的輪廓是否重疊。

2.7 支撐設(shè)計

在保證質(zhì)量的前提下，盡可能不用支撐或以少的支撐來完成打印工作，支撐設(shè)計思路如下：①通過軟件的插件仿真功能對零件的支撐進行模擬分析，主要用于預(yù)測金屬3D打印過程中可能出現(xiàn)的打印缺陷，如零件變形、刮刀風險、應(yīng)力收縮等；②支撐設(shè)計時要考慮如何低成本地快速去除支撐；③零件外觀面和配合面盡可能不設(shè)計支撐。支撐設(shè)計示例如圖7所示。

去片UCVA≤0.8組驗配前具有較高的球鏡度（P＜0.001）、柱鏡度（P＜0.001）、較長的可視虹膜直徑（P＜0.001）和眼軸（P＜0.001），2組間年齡、眼壓、角膜曲率等參數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義。2組兒童的眼部基本特征數(shù)據(jù)見表1。

2.8 零件定位

基座底面增加4個M8 mm的螺釘，用于與打印機的底板聯(lián)接，如圖14所示，零件加工定位如圖15所示。

2.9 熱處理方式

零件打印完成后內(nèi)部存在較大的應(yīng)力，應(yīng)盡快進行熱處理去應(yīng)力。在取出零件放入熱處理爐之前，盡量將零件上附著的粉末清理干凈，既節(jié)省材料成本，同時又杜絕內(nèi)部狹窄流道結(jié)構(gòu)堵塞的風險。具體熱處理工藝參數(shù)按照零件的尺寸和強度要求進行設(shè)計。

“你再找個女人吧！”我再次向他提議。我真的希望他再找個女人，相守著過完下半生。我知道，父親的潛意識里還存在一絲念想，他還以為跑了路的那個女人有朝一日會回心轉(zhuǎn)意，再來找他。

2.10 余量設(shè)置

金屬3D打印后的零件需要進行后處理，因此3D數(shù)模需要設(shè)置余量。通常后處理工藝有CNC、線切割、拋光和噴砂，使零件達到使用的精度和粗糙度要求。余量的設(shè)置盡可能在合理范圍內(nèi)，并且需要預(yù)留精加工時所需的裝夾位置及取數(shù)基準位置。根據(jù)經(jīng)驗，當后處理為拋光時，3D數(shù)模需預(yù)留0.3～0.5 mm余量；后處理為CNC時，3D數(shù)模需預(yù)留0.8～1.2 mm余量。

3 模具零件3D打印的可行性分析示例

以汽車門框裝飾條模具的3D打印零件為例，對模具零件金屬3D打印DFM報告進行說明。

談判陷入僵局后，巧妙的回答能打破僵局，而且對方也更加愿意接受，這就是商務(wù)英語的魅力所在。這種回答問題技巧要看貿(mào)易對象，對象不一樣，談判方式回答方式也不一樣，例如對于長時間合作的貿(mào)易伙伴，回答對方問題時不能弄虛作假，必須真實回答，這樣對于貿(mào)易達成很有幫助。而對于剛開始合作的貿(mào)易伙伴，就要使用語言技巧，如不能直接回答對方的問題，可以使用語言技巧回答問題，不僅可以使對方容易接受，也利于促成兩方的貿(mào)易。

3.1 產(chǎn)品信息

產(chǎn)品如圖8所示，產(chǎn)品名稱：門框裝飾條；外形尺寸：64.5 mm×456.8 mm×199.3 mm；材質(zhì)：TPO+20%Talc；產(chǎn)品表面處理：噴漆。

3.2 模具零件信息

模具零件如圖9所示，考慮類似性，3D打印零件以鑲件3為例進行說明。

零件名稱：鑲件3；材質(zhì)：738；硬度：預(yù)硬30～35 HRC；外形尺寸：105.3 mm×95.8 mm×125.96 mm；質(zhì)量：2.5 kg。

3.3 水路設(shè)計

傳統(tǒng)水路與3D打印隨形水路如圖10所示，傳統(tǒng)水路采用鉆孔加工工藝，只能設(shè)計為圓形直水管。3D打印水路可根據(jù)產(chǎn)品的形狀進行隨形水路設(shè)計，水路可以為任意形狀。使用傳統(tǒng)水路常出現(xiàn)成型的產(chǎn)品局部熱點、冷卻不均，隨形水路方案成型的產(chǎn)品溫度分布更均勻，可縮短產(chǎn)品成型周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4 模流分析

在授課過程中有效地利用多媒體進行情境創(chuàng)設(shè)，能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，如果能夠成功地調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習興趣，必然能夠提高學(xué)生學(xué)習效果。

3D打印前需做如下準備：①打開倉門，用無水酒精和無塵紙對倉內(nèi)、倉門進行擦拭清理；②添加打印所需金屬粉末；③檢查刮刀是否有缺口；④底板放置時要小心輕放，先上螺釘?shù)绘i緊，然后加熱底板至打印所需溫度（40℃），再對角鎖緊螺釘；⑤底板調(diào)平，使底板在

、

軸向各位置相對于刮刀位置平行；⑥調(diào)節(jié)底板與刮刀間的間隙（

軸），間隙控制在0～0.05 mm，越小越好；⑦手動鋪第一層粉，粉的厚度是底板至刮刀間的間隙；⑧檢查激光鏡頭，透鏡上不允許有粉末或異物，需用專用無塵紙與無水酒精擦拭鏡面。

3.5 產(chǎn)品特征分析

產(chǎn)品壁厚整體均衡，不存在薄壁特征，產(chǎn)品的縱橫比在合理范圍，不需要設(shè)計特別的支撐，可直接成型。

宮腔鏡術(shù)中見:經(jīng)陰道可見靠右側(cè)單個宮頸,宮頸左側(cè)陰道壁膨隆,并見一小孔有膿液溢出,經(jīng)小孔切開陰道壁,并切除多余的陰道壁,暴露左側(cè)宮頸,用3-0可吸收線縫合陰道壁止血,宮腔鏡經(jīng)右側(cè)宮頸進入右側(cè)宮腔,宮腔小,宮壁平整,宮底可見一側(cè)輸卵管開口,經(jīng)左側(cè)宮頸進入宮腔,宮腔小,宮內(nèi)膜厚,并見膿苔,用油紗安置宮頸口引流。術(shù)后診斷意見:盆腔積膿;雙子宮;雙宮頸;單側(cè)陰道閉鎖。

3.6 打印方式

設(shè)計良好的冷卻水路可以縮短熔料固化時間，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，并使成品均勻冷卻，防止產(chǎn)品因熱應(yīng)力造成收縮扭曲變形等。此外，在特定情況下，冷卻水路還可起矯正翹曲變形的作用。

3D打印此零件的關(guān)鍵在于基座加工工藝的規(guī)劃，如基座在打印前粗加工，而3D打印過程中的內(nèi)應(yīng)力迫使基座彎曲變形的可能性較大，導(dǎo)致零件在精加工后開裂。最終確定的工藝規(guī)劃如下：①基座材質(zhì)選用1.2344，直接采購加工好的水孔和推桿孔板料；②對基座進行熱處理至46～48 HRC；③基座在3D打印前不進行粗加工，待打印完成并進行熱處理后整體精加工。

3.7 零件定位

零件定位的總體原則：①零件從左到右，從下到上，

、

方向錯位擺放，防止當一個零件出現(xiàn)問題時影響其他零件；②零件與刮刀采用點接觸，減少接觸面；③以刮刀為起始位，預(yù)留零件有效行程；④一般零件擺放角度為與工作臺成45°，根據(jù)零件造型也可采用其他角度，其擺放位置根據(jù)不同零件總結(jié)經(jīng)驗，并形成經(jīng)驗庫。

3.8 零件的打印過程

3.8.1 程序處理

為保證零件質(zhì)量的穩(wěn)定性，必須對每一個參數(shù)的工藝窗口進行預(yù)先定義和設(shè)置，如圖16所示。

傳統(tǒng)水路方案和3D打印隨形水路方案的相同位置冷卻時長模擬結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，在其他條件相同的情況下，3D打印隨形水路方案的產(chǎn)品相同位置冷卻時長最長可節(jié)省約3 s。

3.8.2 打印前準備

銣礦石中金屬礦物總體含量低，僅占礦物總量的1.5%，尤其在礦物粒度較細的礦石中金屬礦物含量更低，且金屬礦物粒度也相對較小。金屬礦物主要分布于脈石粒度為中-粗粒的礦石當中。非金屬礦物石英、云母普遍粒度粗大，云母結(jié)晶完好。礦石次生蝕變微弱，以塊狀花崗巖、云英巖化花崗巖為主。

傳統(tǒng)水路方案和3D打印隨形水路方案成型的產(chǎn)品表面溫度分布如圖12所示，隨形水路可以消除大部分熱點，最高可降低約43℃，成型的產(chǎn)品溫度分布更均勻。

3.8.3 打印時發(fā)現(xiàn)的問題與解決方式

打印時常見的問題與解決方案如下。

本文利用傅里葉變換紅外光譜法對不同快遞公司快遞塑料袋樣品進行了分析檢驗，實驗結(jié)果表明，可以根據(jù)樣品特征吸收峰的不同對快遞塑料包裹袋樣品進行區(qū)分。在刑事案件中發(fā)現(xiàn)快遞塑料包裹袋時，可以利用傅里葉變換紅外光譜法進行檢驗，進而達到對樣品快遞塑料包裹袋區(qū)分的目的，可以為偵查破案提供線索，指明方向，為證實犯罪提供科學(xué)的依據(jù)。該方法對檢材無損，檢驗快捷方便，結(jié)果可靠。

（1）刮刀刮粉時與工件有刮碰，需暫停打印并觀察是否需要重新單燒或降低一層再單燒。如果不能解決問題，說明零件翹曲嚴重，已不能繼續(xù)打印，需要對數(shù)據(jù)進行處理再重新打印。

區(qū)塊鏈身份認證階段使用了區(qū)塊鏈的加密方法和結(jié)構(gòu)特征。一個區(qū)塊中既存有自身的哈希值，也存有前一個區(qū)塊的哈希值的特征，保證了區(qū)塊的不可篡改。一旦某一個區(qū)塊中的數(shù)據(jù)被篡改或者某一個區(qū)塊被惡意替換，則會立刻被區(qū)塊網(wǎng)絡(luò)所獲知。因此，本階段借助區(qū)塊的特征對身份進行認證是安全的。

（2）打印過程中某層燒結(jié)時突然出現(xiàn)火花使層面焦黑并有大顆粒，應(yīng)暫停打印并對本層進行單層燒結(jié)1～2次，若情況嚴重則降層再單燒。

1951年夏天結(jié)束土改后，縣委決定抽調(diào)湯甲真等10多名同志到省委黨校學(xué)習。同年底學(xué)習結(jié)束后，他被調(diào)往益陽地委黨校工作。他任校黨總支宣傳委員兼班黨支部書記。

3.8.4 打印結(jié)束后的操作

由于受灌區(qū)輪灌制度的影響，各渠系行水間隔時間比較長，特別在作物生育期，各級渠道均有不同程度停水期。為了對灌區(qū)各級渠道供水保證程度做出準確評價，本研究統(tǒng)計分析了河套灌區(qū)近15 a支渠以上級別渠道行水、停水時間等資料。在作物關(guān)鍵生育期內(nèi)總干渠停水時間為12 d，干渠、分干渠及支渠停水時間不同灌溉區(qū)域之間差別較大，分別為10～43 d、27～61 d與30～61 d。越往灌區(qū)下游，停水時間越長[5]。滴灌屬高頻灌溉，一般灌水間隔在7～10 d左右，為保證滴灌高頻率灌溉，需要修建蓄水池儲存渠道停水期滴灌用水。

3.1提高社區(qū)護士對老年癡呆預(yù)防及早期干預(yù)的總體認知研究顯示:社區(qū)護士對老年癡呆預(yù)防認知的正確率僅為4.1-47.4%,對老年癡呆早期的發(fā)現(xiàn)與診斷、區(qū)別癡呆與正常老化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)均缺乏有效認知,護理知識仍停留在疾病護理的層面上。社區(qū)護士應(yīng)加強老年癡呆預(yù)防及早期干預(yù)相關(guān)知識的系統(tǒng)學(xué)習,提高對該病的認知。

根據(jù)上文我們可以看出，互聯(lián)網(wǎng)+時代下的建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展主要包括項目實施的標準化設(shè)計、相關(guān)構(gòu)配件的科學(xué)生產(chǎn)、現(xiàn)代物流企業(yè)的運輸配送、裝備式施工等等，共同構(gòu)建成了全產(chǎn)業(yè)鏈?；诖?，為了有效推動建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，相關(guān)部門和工作人員應(yīng)當對整個流程進行技術(shù)創(chuàng)新，并且將創(chuàng)新能力逐漸滲透到生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)和階段中，有效搭建起技術(shù)創(chuàng)新的內(nèi)在驅(qū)動力。在項目實施的前期，建筑企業(yè)可以組織專家進行技術(shù)的論證，根據(jù)國家及相似行業(yè)的實際發(fā)展情況建立起相應(yīng)的技術(shù)標準，同時采用先進的現(xiàn)代化技術(shù)，對整個產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)進行整合優(yōu)化，逐漸實現(xiàn)節(jié)點之間的有效連接和建筑的抗震能力等等。

打印結(jié)束后應(yīng)進行以下操作。

（1）先打開一道縫隙用吸塵器吸倉內(nèi)飄浮的金屬粉，然后打開倉門對倉內(nèi)進行吸塵。

（2）用吸塵器吸取倉門內(nèi)側(cè)上的燒結(jié)廢渣，清理倉門上的粉塵。

（3）對濾盒周邊進行清理，用吸塵器吸走廢渣，然后拆下濾盒，并吸凈濾盒內(nèi)的廢渣和粉塵。

（4）用吸塵器吸走倉內(nèi)的各個可見表面上的廢渣。

（5）把篩網(wǎng)裝到供粉倉上，將工作平臺上的粉料清除到收粉倉，收粉倉中的粉料裝桶后用篩粉機篩粉。

（6）工作平臺上的粉清理干凈后將底板連同工件取下。

（7）工件的孔或加強筋里有粉料，要回收處理，避免浪費粉料。

（8）取出底板后，用刷子收集工作平臺上的剩余粉料，再用吸塵器吸凈工作平臺板上、各個螺釘孔及定位孔中的殘余粉料，避免后續(xù)使用時造成堵塞。

3.9 熱處理方式

熱處理工藝如圖17所示，從常溫到300℃預(yù)熱30 min，再加溫至600℃，再次預(yù)熱30 min，以最高700℃恒溫360 min后冷卻至室溫，零件硬度在33～37 HRC。

3.10 精加工余量

零件精加工余量設(shè)置如下：基座單邊預(yù)留3 mm，零件成型面預(yù)留0.8 mm，如圖18所示，精加工后的零件如圖19所示。

4 結(jié)束語

通過模具零件金屬3D打印的可行性分析可以了解金屬3D打印的工藝和流程，指導(dǎo)模具設(shè)計師進行基于成本的3D打印零件設(shè)計，減少不必要的重復(fù)工作，提高設(shè)計效率，助推企業(yè)提質(zhì)降本增效。

[1]李 芳,伍世鋒,賈宇霖.3D打印技術(shù)在注射模設(shè)計隨形水路中的應(yīng)用[J].模具工業(yè),2017,43(3):55-62.

[2]譚景煥,劉 斌,吳成龍.基于Moldflow和3D打印的注塑模具隨形冷卻水道設(shè)計[J].塑料工業(yè),2015,43(12):45-48.

[3]史玉升,伍志剛,魏青松.隨形冷卻對注塑成型和生產(chǎn)效率的影響[J].華中科技大學(xué)學(xué)報,2007,35(3):60-62.