3D打印技术在模具行业的应用

3D打印技术在模具行业的应用

李欣键

（珠海格力电器股份有限公司珠海519000）

摘要：3D打印技术作为一种快速成型技术迅猛发展，并且正迅速改变着人们的生产生活方式。本文对3D打印技术在模具行业中的应用现状进行了介绍，并对技术和应用中所存在的问题进行了探讨，阐述了3D打印技术短期内无法代替传统模具制造技术的原因，分析了3D打印技术在模具制造中的优势和发展前景。

关键词：3D打印；模具制造；应用分析

1前言

近年来随着全球经济的发展，一体化经济的加速使得制造业的竞争越来越激烈，在工业4.0时代，3D打印这样的新技术就逐渐的发展起来了，它被认为是近20年来全球制造行业在技术领域的一次重大突破。3D打印技术也称为“增材制造”，它通过建立三维CAD模型，再对模型进行分层处理，通过打印机喷涂树脂进行逐层打印，从而形成三维实体。3D打印技术以良好的发展前景及应用价值等优势，具有较大的潜在经济效益，因此在全球的应用也逐渐广泛，特别是发达国家。

2原理及特点

2.13D打印技术的原理

经过了多年的发展，现阶段常见的3D打印技术主要有熔融沉积快速成型（FDM），三维粉末黏结（3DP），光固化成型（SLA）三种。其工作原理与喷墨打印机相似，3D打印机喷出来的是树脂、粘结剂等材料。

（1）熔融沉积快速成型（FDM）主要原理（如图1）是将热熔性材料融化，通过喷头上的喷嘴喷出，喷到前层已经固化的材料上，沉积形成新一层，以此循环，层层堆积之后形成所需要的产品。这种方法由于操作结构简单、成本低，是目前使用范围最广的3D打印技术。

（2）三维粉末黏结（3DP）的原理是在工作平面上先铺一层粉末材料（如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等），通过喷嘴将黏合剂喷到工作面上的待成型区，使得粉末材料在成型区域内粘结到一起，形成所需形状截面，重复此动作，最终得到所需产品。

（3）光固化成型（SLA）的原理是采用激光或热敏性材料，通过逐层扫描固化后获得所需产品。对于SLA技术的研究为最深入、最成熟的3D打印技术之一，特别适合应用在结构复杂、精度要求高的零部件的生产。

2.23D打印技术的特点

3D打印技术将是促进制造产业升级的重要方法之一，其特点包括三点：一是生产周期短，3D打印技术可以简化加工工序，通过计算机的CAD模型能先模拟之后进行完善，从而提高生产效率；二是制造精度高，3D打印的产品模型结构形状、尺寸和位置精度更高，且结构更为合理，这都是传统加工中较难实现的；三是复杂模型直接制造，通过3D打印机加工和生产的模具，无论其形状和结构有多复杂，特别是在加工曲面时，都能直接一气呵成进行制作。

3在模具行业中的应用

传统模具行业中，主要是通过CAD软件进行设计与制造，通过计算机设计模型之后进行加工，由于加工技术，需要对产品进行拆分加工，之后再将各个零部件组装，这过程人工成本及加工成本均比较高。而随着3D打印技术的日渐成熟，其改变了传统的加工方式，利用其优势减少了模具设计制造的环节，同时解决了一些复杂模具母模加工难的问题。3D打印技术在模具行业中的应用主要分为以下几个方面：

（1）直接制作手板：上述所提到的三种打印方式都能制作手板，只是不同原理技术制作出来的强度、精度以及表面质量会有所差别，这也是目前最常见的应用方式之一。

（2）间接制造模具：利用3D打印制作出来的原型工件，通过其他工艺方法复制模具，如石膏模具、砂型模具、硅橡胶模具等。

（3）直接制造模具：直接利用FDM，3DP，SLA，SLS等3D打印技术直接制造模具。

4优势及技术问题

4.1优势

与传统的模具加工方法相比较，3D打印具有以下几个特有的优势：

1）数字制造：通过CAD等设计软件将模具产品的结构数字化，通过网络等途径进行传递，导入到机器设备识别驱动之后加工成产品，同时也能实现产品异地化、分散化的生产制造模式。通过电脑设计出来的产品能直接由3D打印机现场打印出来，实现产品的设计及修改快速处理。

2）堆积制造：将模具产品按上下方式分层堆积，利用“从下到上”的堆积方式实现功能梯度、非均致材料产品的生产。

3）降维制造：即用二维结构的思想来制造三维结构的模具，将三维结构的产品分解为二维结构，再进行逐层累积叠成三维物品，因此对于形状及结构复杂的产品具有很大的优势，而且制造过程更加柔性化，对于个性化产品的定制加工更有优势，能降低开模的成本。

4）直接制造：对于任何结构复杂及难以一次成型的零部件均可通过3D打印的方式一次成型的制造出来，不需要通过分开生产在组装的方式来实现。

5）快速制造：相比传统模具制造工艺，3D打印具有制造流程短、全自动化等特点，制造更快速、高效。

4.2存在的技术问题

尽管3D打印技术在现阶段已经取得显著的成绩，也具有传统模具加工方式难以比拟的优势，但仍存在着一些技术问题需要解决，在未来的发展中，主要有以下几个方面需要有所突破：

1）3D打印耗材仍然是3D打印技术发展应用的关键因素，一些材料无法直接应用于模具行业。目前研发的打印材料主要有金属、树脂和塑料等，而一些比如有硬度要求的模具则还需要开发研究。

2）3D打印的快速成型模具产品的精度和表面质量还有待提高，如尺寸精度、形状精度、表面粗糙度以及力学性能等大多还不能满足直接应用于生产的要求，只能作为原型使用。

3）3D打印机都自带有打印软件来接收指令和执行，不同开发商开发的软件各有不同，也都存在一定的问题，互通性较差，国内需有统一且可靠的标准来规范3D打印行业。

4）3D打印在现阶段还只是单机工作，而如何网络化和远程控制将是一个发展重点方向。

5总结

传统模具加工和3D打印技术都有自己的优势和不足，而在今后的发展中，如何取长补短，发挥各自的优势，将两者有机的融合到一起，促进模具行业的技术革新，从而提高模具设计和加工的效率，降低生产成本，将是永恒的研究课题。

参考文献：

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[2]王成焘，李祥，袁建兵.三维打印技木与制造业的革命[J].科学，2013，3：009.

[3]EvansB.Practical3Dprinters：Thescienceandartof3Dprinting[M].Apress，2012.

[4]桂艳.3D打印技术对模具行业的影响[J].河北农机，2015（10）：41-42.

作者简介：

李欣键，男，1979年4月生，主要从事模具研究工作方向。