3D打印技術在模具行業中的應用探索

林廣平

【摘 要】介紹工業制造3D打印技術工藝原理及應用，針對塑料制件產品開發以及注射模具設計與制造的技術特點和要求，通過3D打印技術的引入革新產品開發思路及打破傳統注射模具設計與制造工藝，有效提升產品開發的有效性以及注射模具結構設計的優化，解決模具制造技術上的難題，進一步提高和保證模具性能和優越的產品質量。

【關鍵詞】3D打印技術；注射模具；3D隨形冷卻系統

一、引言

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，其以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將陶瓷粉末、金屬粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品，它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，打印材料由傳統的墨水、紙張轉變為粉末狀陶瓷、金屬、塑料等經過處理的特殊材料。

在模具行業中，3D打印可以制造具有特殊結構的模具部件，如3D隨形冷卻系統的成型部件，解決了傳統制造手段難以實現的技術難點，3D隨形冷卻系統的應用有效提高模具的冷卻效率，趨于均勻化，提高了產品質量和生產效率。

二、3D打印技術應用介紹

3D打印技術的出現率先實現增材制造的是快速成形技術，又稱為自由成形技術。無需經過傳統的機加工手段和模具，就能直接制作出復雜的三維模型，并且快速成形只需傳統切削法30%～50%的工時和20%～35%的成本，被譽為可以顛覆傳統工業制造理念的革命性技術，一項前瞻性可變性創新性非常強的技術，它以其不可比擬的獨特優勢作用于傳統制造業的關鍵環節。目前應用比較廣泛的3D打印成型工藝主要有：選擇性激光燒結、選擇性激光熔化、直接金屬激光燒結、立體光固化成型、熔融沉積成型、分層物體制造等，不同類型的工藝在不同的領域有著應用的優勢。

三、3D打印技術在模具行業中的應用

1.3D打印技術在產品設計中的應用

產品設計隨著時代、科技和人文藝術的發展而不斷更新，隨著3D打印技術的發展與應用，產品的生產方式已不再成為設計師想象力的束縛，能更專注于產品形態創意和功能創新。目前產品設計流程的平行化越來越受到重視，通過改進產品設計開發流程，并行考慮產品生命周期各階段因素，強調后續環節可能出現的問題要在設計的早期階段就被析出并加以解決，最大限度地減少設計反復，縮短產品設計開發時間。在產品并行設計條件下，產品開發過程的各環節、各要素在可能的情況下同時工作，協作運行。在產品并行設計過程中，3D打印技術的應用是整個設計流程的關鍵，設計團隊能夠在設計階段把概念模型精準地變為實物，為設計交流與討論提供保障。它有別于傳統的設計思路，僅能借助極為抽象的概念模型或2D平面圖紙作為可視化媒介開展設計討論，無形中限制了團隊間關于開發產品概念的有效交流。3D打印的應用能夠讓設計團隊中的每個成員，乃至產品用戶都能夠直觀地看到和觸模這些概念模型，比較它們之間的結構、外形和功能的差別與優劣，準確地反映出產品概念存在的問題，進而修改設計，重復這個設計迭代過程，直到產品概念完善為止。

2.3D打印在模具制造中的應用

目前制造業領域使用3D打印技術的企業眾多，其中模具企業是應用3D打印技術最多的行業，常用于樣品的打印，對產品樣品的結構、外觀以及功能進行測試合格后，才開始模具的制造。近年來，隨著金屬3D打印技術不斷革新和成熟，越來越多的模具企業研究3D打印技術在模具制造中的應用，利用3D打印技術的優勢進一步縮短模具生產周期、節約生產成本。

金屬3D打印在模具制造中主要用于模具鑲件的打印，模具3D隨型冷卻系統型芯型腔鑲件和異形滑塊的直接打印比傳統加工手段的生產效率和效益都大幅提高，并不受產品內部結構及復雜形狀所約束。傳統設計制作的水路都是以鉆孔方式完成，其直線圓管狀造型另須避開結構或組裝原件，因此水路設計極其受限。而使用3D打印技術（DMLS）為模具制造3D隨型冷卻水路，除了可以使模具局部溫度降低或達到均溫之外，并可對模具進行更快速的冷卻處理，這樣將可減少脫模速率和成型周期，并且不會因時間縮短而有殘余應力及翹曲等問題發生，具有傳統水路無法比擬的冷卻效果。

傳統冷卻系統與3D隨型冷卻系統比較，如圖1示。

左為傳統冷卻系統，右為3D隨型冷卻系統。傳統冷卻系統設計時需考慮鑲件和結構的避讓，無法把冷卻水路設計到合理的位置，如上圖型芯鑲件的冷卻水路無法隨著形狀均勻地設計，因此，冷卻效果會受到極大的影響，局部會受冷卻效果影響使產品存在著變形的風險；傳統冷卻水路的設計受限，主要受到傳統制造工藝的影響，傳統的制造手段無法給冷卻系統設計提供保障，僅能通過鑲嵌或鉆孔的工藝手段實現冷卻系統布置。隨著金屬3D打印技術的不斷提高和在模具行業中的應用，給冷卻系統的設計提供了創新的平臺，設計者不用受傳統制造手段的限制，能夠靈活根據模具和鑲件結構設計隨形的冷卻系統，把冷卻水路均勻地布置在模具成型鑲件中，使模具能夠快速冷卻并獲得良好的勻溫效果。

傳統制造手段與金屬3D打印水路比較，如圖2示。

3D隨形冷卻系統相比傳統冷卻系統具有如下幾點優勢：①有效縮短注塑或壓鑄過程中的冷卻時間，減少脫模速率和成型周期，生產效率將大幅提高，可提升30～70%產能時效與質量良率。②產品不會因時間縮短而有殘余應力及翹曲等問題發生，有效減少翹曲變形、開裂飛邊、氣泡砂眼等產品缺陷，顯著提升最終產品的質量與成品率；③模具使用壽命得到有效延長，產品單位成本降低。

四、結論

總體說來，國內在3D打印模具制造方面的應用與國外相比存在較大差距。但3D打印技術給模具制造帶來的改變是不容忽視的，3D打印技術引入到模具設計和制造中來將會是一種趨勢。國內目前進行3D打印模具應用研究的企業并不多，未來3D打印技術的產業化、市場化，模具制造是一個很好的發展方向，尤其對于廣大模具制造企業來說。從3D打印的應用來看，航空航天、軍工領域技術要求較高，醫療領域準入條件高、個性化定制需求有限，而在模具行業，結合眾多模具企業和模具專業鎮的基礎優勢，3D打印的推廣和應用更具有優勢。