3D打印技術在模具制造中的應用

陳楠

摘 要：3D打印技術是最近新興的一種增材制造技術，特別是在美國奧巴馬做了關于3D打印技術的報告之后，更是風靡全球。它在多個領域應用廣泛，在模具行業中也占有重要的地位，那么，3D打印是怎樣應用到模具之中的？又對模具行業有什么樣的影響？會取代傳統模具嗎？下面將對此做一個簡單的探討。

關鍵詞：3D打印；模具；逆向工程

1 3D打印的產生

3D打印技術最近幾年走入了大眾的生活之中，但是實際上它已經擁有了30多年的歷史。早在20世紀90年代，就有光固化和紙層疊加等快速成型技術，其就是現有3D打印技術一開始發展的形態，在經過幾十年的發展之后，3D打印的原材料與方式不斷得到拓展，應用范圍也越來越廣，在今天，這些技術統稱為3D打印。

2 3D打印技術的應用范疇

3D打印主要可以應用到工業設計、文化創意產品、工藝美術品、建筑、首飾、服裝、各類模型制作、醫療、航空航天、汽車工藝、家電、模具等范疇。范圍幾乎包括了我們生活的方方面面，但是，3D打印其實并沒有大家所想象的這么神奇，其應用在現階段還受到諸多方面的限制。我們以模具制造為例，來看一下其應用。

3 3D打印技術在模具制造中的應用

3D打印技術在模具領域中主要用于新產品開發試制等。傳統模具制作需要用到車銑刨磨鉆、電加工等多種加工方式，這些制造方式工藝復雜，時間長且費用高，會影響新產品對市場的響應速度。最重要的是，為了模具使用壽命及成型工藝，有時還需要設計復雜的冷卻流道系統。傳統加工一般鉆直孔來代替，但是在復雜的成型結構中，直孔難以保證產品質量，所以，應用3D打印技術來進行快速模具的制造，可以進行模具的試制和小批量生產。這樣就可以解決技術、時間、成本等多方面的問題。

4 3D打印模具應用舉例

（1）電鑄模

電鑄模結合了增材制造和傳統電鑄，其通過對增材制造原型表面進行打磨、拋光、涂覆電鍍層之后將其置入電鑄槽進行電鑄，以獲得金屬殼層。通過電鑄精確得到原型外表面之后，高溫去除原型并處理即可得到需要的電鑄模。如飛機模型的發泡模應用。

（2）噴涂模具

此種模具把增材制造技術與噴涂技術結合而成。其過程是用噴槍在增材制造技術得到的原型表面噴射一層金屬殼層至2mm左右，再利用鋁顆粒與樹脂的混合物作為背襯物并埋入冷卻管道，去除原型后即可得到噴涂模具。

（3）中低熔點合金模具

其過程是采用增材制造技術得到原型，再將原型翻版為硅膠膜，以硅膠模翻制石膏模，最后通過石膏模得到中低熔點合金模具。其可以滿足汽車覆蓋件試制模具要求。

（4）復雜隨形冷卻模具

傳統加工方法難以加工成型復雜的流道系統，導致模具的冷卻效果不能達到最優，容易出現產品缺陷。利用增材制造技術可以解決隨形冷卻的問題。

（5）壓蠟模具

該技術采用光固化成型技術結合軟膜技術，整個模具制作周期只需2天，可以大大縮短企業研發周期，在市場中搶占先機。

（6）粉末冶金快速模具

用SL技術得到的原型翻制出硅膠的中間轉換模，再將混有樹脂黏結劑的工具鋼粉末灌注到中間模中，材料凝固后去除生坯件進行燒結去除黏結劑，最后滲銅處理得到成品。

5 3D打印技術是否能替代傳統模具

（1）3D打印成型的零件尺寸受限。現在世界上加工面積最大的3D打印設備工作面尺寸為1.8×1.8m的激光3D打印機，并不能滿足工業上大型模具制造需求。

（2）3D打印得到的模具，其力學性能難保證。傳統的數控切削加工在生產過程中對零件進行了時效、熱處理等工作來保證零件的力學性能，而3D打印技術明顯不能完成這些工作，所以，3D打印出的零件從表面上看和傳統加工零件一樣，實際上其力學性能是難以保證的。所以，要想解決這個問題，就需要找到更好的原材料、改進3D打印技術、并想辦法提高3D打印模具的強度、韌性、表面硬度等力學性能。這也是為什么大部分模具都是把3D打印技術作為一個中轉過程，比如，做原版模型，或者做不需要那么高要求的試制、小批量生產等工作。

（3）可用于3D打印的材料種類少。傳統制造業所用材料的種類繁多，根據不同的使用需求有不同的材料可以選擇，但是3D打印材料種類稀少不說，還大部分依賴進口，而進口的材料種類也有限，如以色列Object公司也只有14種基本材料，107種混搭材料，其中可用于工業的就更少了。所以3D打印技術制造零件時，選材受限，會大大提升制造成本。

（4）尺寸精度和表面粗糙度達不到精密模具要求，導致其需要進行后續的機械加工，會再次增加模具的制造成本和制造周期。

6 3D打印技術在我國模具的應用現狀

綜上所述，我們發現，3D打印技術有很多優點，方便、快捷、應用廣泛，但是同時也具有材料受限、力學性能受限、價格昂貴、尺寸受限等缺點。所以，3D打印技術在國內的應用與國外相比有較大差距，像國外的3D打印在義齒、醫療等方面已經普遍應用，國內才慢慢開始。雖然如此，但是我們還是不能夠忽視3D打印技術給模具制造帶來的改變。將3D打印技術引入到模具設計制造中是必然的，只是達到全方位的應用還需要時間和努力。

我國現在主要把3D打印技術用到產品前期的產品設計、樣板制作及成型制造隨形冷卻水路模具等。由此可見，3D打印在模具行業中的應用階段主要是樣品的生產。利用3D打印制作出的模具來生產樣品，然后對生產出來的樣品的結構、外觀以及功能進行測試，測試合格，就說明該種模具結構設計合理，可以使用，然后還是利用傳統加工進行生產模具的制作，以進行大規模生產。所以，3D打印技術對于現階段來說，主要是輔助生產的工具，多應用于研發階段。

3D打印技術和傳統制造技術各有優劣，但目前3D打印技術還是不能替代傳統制造的。

參考文獻

[1]蘇立祥，朱鵬英，旁文良.關于3D打印技術對機械制造行業的影響[J].工業B，2015，（20）：138.

（作者單位：咸寧職業技術學院）