淺議3D打印成型技術對模具制造技術的沖擊

摘 要：近年來，3D打印市場如火如荼，在工業設計領域將發揮巨大的作用，尤其是在產品制造方面。隨著3D打印技術的出現和普及，必將會沖擊以模具制造為主的產業結構，優化產業鏈條。文章通過對比3D打印成型技術與傳統模具制造技術的優缺點，客觀地分析了3D打印成型技術對模具制造技術的沖擊。

關鍵詞：3D打印；模具制造；沖擊

1 概述

3D打印技術（增材制造技術）是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，將材料逐層堆積制造出實物的新興制造技術。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。3D打印技術綜合了信息技術、數字建模技術、機電控制技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術，被譽為“第三次工業革命”的核心技術。

傳統的模具制造技術是在接單后還需對接單項目進行評審，在確定了開發要求及工藝路線后，開始模具設計。加工之前需要按照設計的圖紙備料。接著是粗加工，最后是試模驗證。其加工流程如圖1所示。采用傳統的模具制造技術制造加工出一個合格的模具所需要的人力、物力較多，生產時間也較長。

2 3D打印制造模具的優點

3D打印成型技術與傳統模具制造業的最大區別在產品成型的過程上。在傳統的模具制造業中，模具制造一般需要經過開模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等過程成型。而3D打印則免去了那些復雜的過程，不用模具，一次成型。可以節約很多成本。還可以克服一些傳統制造上無法達成的設計，從而制作出更復雜的結構模具。

2.1 模具生產周期縮短

3D打印模具縮短了整個產品開發周期，并成為驅動創新的源頭。在以往，由于考慮到還需要投入大量資金制造新的模具，公司有時會選擇推遲或放棄產品的設計更新。通過降低模具的生產準備時間，以及使現有的設計工具能夠快速更新，3D打印使企業能夠承受得起模具更加頻繁的更換和改善。它能夠使模具設計周期跟得上產品設計周期的步伐。

2.2 模具設計的改進為終端產品增加了更多的功能性

通常，金屬3D打印的特殊冶金方式能夠改善金屬微觀結構，并能產生完全致密的打印部件，與那些鍛造或鑄造的材料（取決于熱處理和測試方向）相比，其機械和物理性能一樣或更好。增材制造為工程師帶來了無限的選擇以改進模具的設計。此外，它能夠整合復雜的產品功能，使高功能性的終端產品制造速度更快、產品的缺陷更少。3D打印可以實現任意形狀的冷卻通道，以確保實現隨形冷卻，更加優化且均勻，最終導致更高質量的零件和較低的廢品率。

2.3 定制模具幫助實現最終產品的定制化

更短的生產周期、制造更為復雜幾何形狀、以及降低最終制造成本的能力，使得企業能夠制造大量的個性化工具來支持定制部件的制造。3D打印模具非常利于定制化生產，比如醫療設備和醫療行業，它能夠為外科醫生提供3D打印的個性化器械，比如，外科手術導板和工具，使他們能夠改善手術效果，減少手術時間。

3 3D打印成型技術對模具制造技術的沖擊

工業產品的更新換代非常快，一個新產品生產出來后，如果沒有銷路，那就得不償失。傳統模具制造技術開發一套模具需要幾十萬，甚至幾百萬元。而利用3D打印技術，可以把產品先開發出來，直接打印。使用3D打印技術的優勢在于可以大大縮短生產的周期、節約生產成本。比如，一套手機模具，采用傳統的制造技術，須經過大約12個工作日才能完成，有時還會造成材料的浪費。但利用3D打印技術幾個小時就可以完成，而且還具有高精密度的特點，這樣就能夠不斷提高市場競爭力，在發展中搶得先機。

3D打印的優勢很明顯：可免除制造刀具、夾具和模具的過程，直接進行產品加工，解決了生產工藝難以解決的問題，還節約材料、縮短時間。

4 3D打印成型技術短期內無法替代傳統模具制造技術

3D打印誕生近三十年了，但產業化遠未形成。雖然3D打印名氣很大，但到今天還處于科普階段。3D打印作為一項前沿的、先導性較強的技術，可以滿足個性化、定制化、復雜、高難度產品的需求，但不具有批量化、規模化的優勢。

4.1 傳統工業的成熟給3D打印制造門檻

傳統工業大生產在過去200多年可以說非常成功，發展到今天，分工也非常細，配套非常充沛，可以說是環環相扣，形成了巨大的利益攸關體，形成了巨大的慣性。如果要打破這種慣性，成本非常高。這些3D打印無論是顛覆或者融入，門檻都特別高。

4.2 目前3D打印不適合批量生產

3D打印目前并不適合批量生產，例如3D打印技術生產1件產品和生產1萬件產品的成本單價基本接近，而且3D打印需要更長的時間。一個噴頭就對應生產一個產品，而且產品體積大了，成型速度幾何性降低，幾個小時才成型一個東西，粗糙度不滿足，還要打磨，還要精加工。傳統模具制造技術在我國大批量生產中占據明顯的優勢，在非批量、精密要求不是很高的產品制造領域，傳統模具制造暫時不具備替代性。

4.3 3D打印技術的材料種類較少，而且價格較貴

盡管現在已有幾百種材料能夠被3D打印，但是高溫塑料和一部分常用金屬依舊不能被打印。尤其金屬由于熱處理的問題，很容易出現打印后變性的問題，現場EOS的代表提出的比如invar，就不能被打印，而這個材料在航空發動機中卻是相當重要的材料。而且國內有能力生產3D打印材料的企業很少，特別是金屬材料主要依賴進口，價格高。

4.4 3D打印技術的速度、效率、質量還有待提高

3D打印本身的技術原理就決定了制造精度和制造速度存在矛盾。3D打印是一層層來制作物品。如想提高打印精度就得增加打印層數，但是自然而然地降低了打印速度。而提高速度的話就會有精度問題：因為3D打印采用的是逐層堆積制造的方式，這種方式本身就存在“階梯效應”，特別是所制造工件表面曲度較大的時候，階梯效應就尤為明顯，這會影響工件的精度。

3D打印技術和傳統制造技術都存在優勢和劣勢，目前3D打印技術還不能替代傳統制造技術。從長遠來看，隨著3D打印技術的不斷發展，未來打印效率不斷的提高及生產成本的降低，3D技術對模具行業的影響將不容小覷。

參考文獻

[1]劉斌.關于3D打印技術中的幾個問題與思考[J].模具工程，2015.

[2]王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012.

[3]陳興龍.3D打印技術在模具行業中的應用研究[J].機械工程師，2016.

[4]李志君.3D打印技術在塑料加工成型及模具設計課程群教學改革中的應用探索[J].科教文匯旬刊，2015.

[5]厲成龍.3D打印技術在現代模具制造中的應用[J].裝備制造技術，2015.