3D打印在容器模具制造領域的應用

摘 要：文章詳細論述了3D打印技術的誕生、應用，以及工作原理和發展前景。簡單介紹了什么是傳統模具制造，并分析了3D打印技術在當代容器成型工藝上的現狀和應用，以及其優勢和不足，綜合討論了未來它在傳統容器模具制造上的前景。

關鍵詞：3D打印技術；模具制造；應用

1 傳統模具制造

傳統容器模具制造過程極其復雜，在推出新產品時，往往成本較高而且工藝復雜繁瑣，玻璃瓶，瓷瓶等新瓶型的開發很難，而有時投入生產的效果與預先設計的差別很大，此時對制成的模具進行修改較為困難并造成浪費。模具，是工業生產中的重要工藝裝備，它主要通過改變所成型材料物理狀態，如固態、液態等，即在外力用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的制件的工具，來實現工業制成品的外形加工。模具廣泛應用在沖裁、成形沖壓、模鍛、冷鐓、擠壓、粉末冶金件壓制、壓力鑄造，以及工程塑料、橡膠、陶瓷等制品的壓塑或注塑的成形加工中。在現代化工業生產中，60%～90%的工業產品需要使用模具加工，模具設計水平的高低、加工設備的好壞、制造力量的強弱、模具質量的優劣，直接影響到許多新產品的開發和老產品的更新換代，模具工業已成為現代工業發展的基礎。

2 3D打印技術

3D（Three Dimensions）打印技術，是通過計算機，將CAD圖形文件轉換成規定格式的數據文件，再根據文件的數據控制專門的設備，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，該技術并不借助任何傳統意義上的機械加工裝置，可直接從微機數字圖像數據中“打印”零件結構，大大縮短產品的研制周期，提高生產率。3D打印，是快速成型技術（快速原型制造），誕生于20世紀80年代末期，是基于材料堆積法的一種新型特種制造工藝。快速原型制造（簡稱RPM），物體的三維模型可在一個三維方向上分離出一定數量片層，片層可以看做二維圖案，3D打印裝置在一個平面上進行沉淀材料，并沿平面垂直方向移動，最后可得到限位塊模具型芯制品。它集多種現代技術于一身，可將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件。

3D打印技術與傳統制造業的“減材制造技術”不同，3D打印遵守的是加法原則，可以直接將設計轉化為模型，直接制造零件或產品，不再需要傳統的刀具，夾具和機床。3D打印技術優勢在于能實現設計制造一體化，降低約50%的制造費用，縮短加工周期約70%。現如今3D打印技術有SLA（Stereo lithography Appearance，立體光固化成型技術），SLS（Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結），LOM（Laminated Object Manufacturing，分層實體制造法，又稱層疊成型法），FDM（Fused Deposition Modeling，熔積成型法），LSF（激光立體成型技術）這里就不一一介紹了。

2.1 3D打印原理

3D打印可分為三大步驟：（1）利用計算機相關軟件建立產品三維數字模型：現如今大部分的3D建模軟件例如Pro/E、AutoCAD等，都可以滿足建模設計需求，建模過程中一定要嚴格按照產品的工程圖，因為3D打印機是完全按照計算機中三維模型的數據進行打印制造的，而且打印的質量是由3D建模質量決定的。（2）3D模型分層：本過程是將三維數據向二維數據的轉化，打印機中自動化軟件系統根據產品參數和人為設定，將建立的3D模型沿著一個平面的垂直方向（z軸）進行分層，分割成很多個片層，每一個片層相當于一個薄圖，記錄著一個二維打印圖案信息，分割的層數越多，產品尺寸精度就越高，就越接近原始設計數據。但是受到打印機設備以及材料因素限制，薄片厚度一般從幾十lam到幾百Ixm之間。（3）打印：3D打印機通過讀取文件中片層薄圖中的信息，將液體狀，膠狀，片狀或者粉狀材料甚至生物活性細胞組織等利用多種方式方法黏合在一起，通過一層層不同二維圖形材料的累積，最后形成產品結構的三維模型。由此可見，3D打印實際是根據分割的二維薄片的層數利用所噴涂的材料經逐層堆積后形成的三維產品。

2.2 3D打印優勢

（1）簡化生產制造過程，制造復雜物品不增加成本，省去培訓機械師或者購置新設備成本的同時可實現產品多樣化。非傳統的切削加工大幅減少了材料浪費，節約成本。（2）無需組裝，3D打印可一體化成型，例如3D打印可利用分層制造工藝同時打印一扇門以及上面的配套鉸鏈。（3）傳統制造工藝制造的產品形狀有限，受限于加工技術和設備的能力，而3D可以突破這些局限，極大地滿足設計所需。（4）傳統的制造機器需要經過多年培訓的熟練的工人進行操作，而3D打印只需從相關設計文件中獲得指示，所需的操作技能較少，大大減少了人工成本。（5）開辟新的商業模式，企業只需根據客戶的訂單制造所需產品，按需生產，可減少企業的實物庫存。3D打印技術的優勢當然不僅僅于這些，在未來的發展過程中，它必將會在制造業中展示出更大的優勢。

3 3D打印在模具成型上的應用

如果將3D打印技術應用在容器成型工藝中，就可以很快根據設計圖快速做出預制模具，再根據模具制造預制瓶，如果預制瓶達到了預期性能外觀效果，就可以制造模具投入生產，若不能，可以方便快速修改。采用3D打印技術快速成型預制模具簡化了瓶型設計環節，尤其對化妝品等造型多變的瓶型包裝來說意義重大，減少了時間成本，造型上的創新也促進了銷售，另外模型的材料可以采用熱塑性高分子或者石蠟等能反復成型的材料，便于材料再利用，減少成本。

現如今3D打印機的出場頻率越來越頻繁，可以看出來3D打印在模具行業的市場奠定了制模的發展優勢。未來的模具業完全可以融入3D打印技術，并獨自完成著國內3D打印機的普及，所以我們可以讓3D打印技術使用在模具制造工程中，我們不需要像傳統制造那樣去開模。傳統制造的開模等工序，費時費力成本高，也不用全部都3D打印，而可以利用3D打印1個原型，然后利用快速模具（如硅膠模、玻璃鋼模）的方式復制出一批一模一樣的產品來，單位成本將遠遠低于傳統制造和純3D打印的方式。未來我國鑄造模具產業將可盡情用3D打印技術來促進行業的發展，國內鑄造模具產業將引發新一輪科技和產業的變革。雖然模具領域許多人士都摩拳擦掌，躍躍欲試，準備把3D打印技術引進模具產業，以促進模具產業發展。但是，模具產業在引進3D打印技術促進行業發展的過程中并不是一帆風順的，目前遇到的最大問題就是材料問題。因為目前，適用3D打印的材料尚有限，僅以塑料及個別金屬、尼龍為主，3D打印技術的應用取決于是否有更合適的新材料應用到模具領域，3D打印材料能否突破單一材料的限制，實現不同材料東西的混合，制造更加高復雜的產品。也就是說，3D打印技術目前還不能以模具產業常用的材料生產模具，在極個別的領域還處于嘗試階段，無法達到規模化的生產，更不能滿足時下模具市場的各種要求，因此材料問題得不到解決，一時之間，模具產業運用3D打印技術很難有大的突破。壓鑄鑄造模具是工業制造的基礎，3D打印技術在這里的突破將更加困難，至少在未來一段時間內，我們還看不到這種希望。只有不斷努力，突破層層困難，才能促使其更好的發展。除了材料以外，3D打印技術在模具應用方面還需在以下幾點進行突破：（1）提高成形件的精度、表面質量、力學和物理性能；（2）開發更可靠的軟件；（3）提高網絡化服務的研究力度，實現遠程控制。3D打印技術雖然在模具工業中的應用還有些瓶頸，但未來是廣闊無邊的，相信通過不懈的努力，一定會成為模具發展的方向。

作者簡介：秦培凡（1994-），男，河南省新鄉市，包裝工程專業在讀本科，研究方向：包裝工程。