關于3D打印技術在模具制造中的應用

史長椿　郭玉霞　胡春雷　張志權　于洋洋

摘要：3D打印，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，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。目前廣泛應用于模具制造、工業設計等領域。且在航空航天、工程施工、地理信息系統及醫療產業都有所涉及。3D打印被賦予了第三次工業革命的大背景，目前已經步入了飛速發展的時代，為提升中國的制造力提供一個更加寬廣的平臺。

關鍵詞：3D打印技術；模具制造；第三次工業革命；制造力

模具是工業生產的基礎工藝裝備，在電子、汽車、電機、儀表、家電和通信等產品中60%-80%的零部件都依靠模具成型，模具質量的高低在很大程度上決定了產品質量的高低，模具又被稱為“百業之母”，所有工業產品莫不依賴于模具才得以大批量生產。CNC加工是在制造模具時最常用的技術。雖然它能夠提供高度可靠的結果，但是非常昂貴而且浪費時間。在這樣一個新形勢下3D打印技術應運而生。它具有的節省材料、快速成型、精準制造等優點使得其在模具制造中逐步興起。

1.我國模具制造技術的現狀

我國目前已成為世界上凈出口模具最多的國家，雖然能生產大型多工位級進模、精密沖壓模具、大型多型腔精密注塑模、大型汽車覆蓋件等模具，但是總體技術水平不高，與國外發達國家相比仍然有較大差距。

1.1模具壽命低

影響模具壽命的因素較多，其中模具材料是重要因素，由于我國模具鋼品種少、質量低、性能差，大多數模具鋼是上世紀70-80年代研制的，種種原因，真正使用的量較少，導致模具壽命低。比如國外硅鋼片沖模總使用壽命為500萬次以上，而國內一般為50-60萬次，最高只達到150萬次。國外熱鍛模使用壽命為50萬次，國內只有3-5萬次。

1.2生產周期長

我國模具鋼市場80%左右是黑皮圓棒料，品種單一。扁鋼、精料、經過預硬化的材料和制品以及標準件在市場上極少見，精料化、制品化程度低。模具制造廠通常將圓棒料改鍛成扁鋼或模塊，絕大多數采用自由鍛，很少采用模鍛和三鐓三拔的工藝。因此鍛件的內在質量較差，外形尺寸偏大，造成加工余量大，所以國內模具鋼利用率低（只有50%左右），影響模具制造周期。

1.3新材料推廣宣傳力度不夠

國內常用的模具鋼基本上是從20世紀50年代初沿用下來的老式鋼材，許多生產企業長久以來只知道常用的幾種鋼，生產工藝落后，技術水平低下。

2.我國3D打印技術發展現狀

我國3D印技術的研究工作起步于20世紀90年代初，最早進行3D打印技術研究的科研機構包括華中科技大學、西安交通大學、清華大學、上海復旦大學、浙江大學、西北工業大學和北京隆源自動成型有限公司等。這些科研機構早期在各成型工藝和成型設備的研究和開發方面各有側重，也取得了許多重要成果。如南京航空航天大學研制的RAP-I型激光燒結快快速成型系統、北京隆源自動成型有限公司開發的AFS-300激光快速成型的商品化設備等。

近年來在國家科學技術部及省市有關部門的支持下，我國已經在深圳、天津、上海、西安、重慶等地建立了一批向企業提供3D打印技術的服務機構，也涌現出了一大批市場化的民營公司投資的3D打印服務機構并開始起到了積極的作用，推動了3D打印技術在我國的廣泛應用。目前3D打印市場已經度過了啟蒙期，正處于快速發展的階段。但是也面臨著創新升級的瓶頸。與發達國家相比，我國的3D打印還停留在概念層面，暫無成熟的營利模式。以3D為主業的上市公司數量很少，規模很小；從應用層面來講低端運用已趨于飽和，工業級則由于成本高、技術欠缺等問題，市場比僅占20%～30%。近幾年隨著國家相關政策的出臺，在國家十三五規劃和傾向高新尖產業方針的背景下，3D打印將會迎來巨大的發展機遇。

3.3D打印技術在模具設計與制造中應用的優點

3D打印一個的一個非常有前途的應用就是在模具上直接生產。比如成型（吹塑、LSR、RTV、EPS、注塑等）、鑄模（熔模、砂模等）、機械加工、裝配和檢驗、機器人末端執行器等環節。與傳統模具制造過程相比3D打印模具擁有以下優點：

3.1節省模具生產周期

3D打印可以自動、快速、直接和比較精確地將計算機中的三維設計轉化為實物模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短了產品研發周期。它能夠在數小時內成形，讓設計人員和開發人員實現了從平面圖到實體的飛躍。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產品設計周期的步伐。成為企業創新的驅動源，促進了產品的更新換代。

3.2節約了制造成本

如果說當下金屬3D打印的成本要高于傳統的金屬制造工藝成本，那么成本的削減在塑料制品領域更容易實現。金屬3D打印的模具在一些小的、不連續的系列終端產品生產上具有經濟優勢，或者針對某些特定的幾何形狀更有經濟優勢。尤其是當使用的材料非常昂貴，且傳統的模具制造材料報廢率很高的情況下，3D打印具有成本優勢。此外，3D打印在幾個小時內制造出精確模具的能力也會對制造流程和利潤產生積極的影響。尤其是當生產停機或模具庫存十分昂貴的時候。3D打印的靈活性使工程師能夠同時嘗試無數次的迭代，并可以減少因模具設計修改引起的前期成本。

3.3提高了精準制造能力

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。當目標部件由幾個子部件組成時，3D打印具有整合設計，并減少零部件數量的能力。這樣就簡化了產品組裝過程，并減少了公差。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、產品缺陷更少。例如，注塑件的總體質量要受到注入材料和流經工裝夾具的冷卻流體之間熱傳遞狀況的影響。如果用傳統技術來制造的話，引導冷卻材料的通道通常是直的，從而在模制部件中產生較慢的和不均勻的冷卻效果。而3D打印可以實現任意形狀的冷卻通道，以確保實現隨形的冷卻，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。此外，更快的除熱顯著減少了注塑的周期，因為一般來說冷卻時間最高可占整個注塑周期的70%。

3.4為產品提供了更多的可能性

3D打印不需要傳統的刀具、夾具、機床或任何模具，就能直接把計算機的任何形狀的三維CAD圖形生成實物產品。而且隨著材料的種類日益增多，功能也從傳統均質材料到非均質材料。未來3D打印不僅可以打印種類繁多的均質材料也可以打印功能各異的非均質材料，如功能梯度材料等。相信隨著科技的進步和國家政策的支持3D打印將會在多元化的領域得到更進一步的發展。