3D打印技術在模具中的應用

鄭瑩

摘 要：3D打印技術作為一種新興的增材制造技術，在很多領域都有運用，其模具領域也有一定的地位。文本首先簡要介紹了3D打印技術以及其工作流程在模具領域的應用研究并提出了3D打印技術未來發展過程中面臨的挑戰，最后簡要闡述了3D打印技術在模具領域的發展前景。

關鍵詞：3D打印技術 模具 制作工藝 增材制造

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0110-02

1 3D打印技術

在20世紀90年代中期，3D打印才開始出現，另一種說法稱之為為“增材制造”，雖然它有近30年的歷史，但卻是在最近幾年才走進大眾的生活中。通俗的說，3D打印技術就是用特殊材料塑造出繪制在平面上的三維圖形的打印機。

1.1 3D打印技術的特點

1.1.1 產品生產快捷

傳統加工制造工業的工序復雜，生產一個產品往往需要很多時間，而3D打印技術的出現與運用大大縮短了產品生產的周期。它簡化了加工制造工業的工序，尤其是在互聯網時代，它可以在計算機上設計產品和規劃生產過程，完善生產過程中的問題，縮短了工作時間，提高了工作效率。

1.1.2 提高制造精準度

3D打印技術不需要使用刀具或者其他的模具，它運用了計算機、互聯網的技術大大提高了計算準確度。這種自動、快速、直接的方式能做到很高的精度和復雜程度，反觀傳統的制作技術制作不出相對復雜的制件。

1.1.3 節省材料

這種依靠計算機來精準制作模具的方法無須考慮剔除邊角料，直接摒棄生產線，提高了材料的利用率，降低了生產成本。

1.2 3D打印技術的應用

3D打印技術可以運用到人們生活中的很多地方，各類模型制作、工藝品、家具生產、汽車工藝、建筑、服裝、首飾等很多范疇。雖然生活中方方面面都有它的身影，但它也并非是十全十美的，作為一種新興技術，它也受到很多因素的限制。

模具領域中不斷地有新的產品開發試研，這些產品的制作往往工序復雜，耗費時間長，如果繼續用傳統制作工藝技術就有可能會影響產品對市場的投放，造成經濟損失。而另一方面，在模具試制與模具小批量生產方面，3D技術具有不可比擬的優勢，它能夠滿足生產方技術、時間、成本等方面的要求。

1.3 3D打印技術的原理

現有基礎上的3D打印技術一般包括以下3種。

1.3.1 光固化成型

光固化成型就是立體光固化成型裝置，它是最早出現的快速原型制造工藝，具有很高的成熟度，經得起時間的檢驗。不會用到切削工具、模具 ，它的加工速度很快，生產產品需要的時間短，遇到傳統制作技術無法解決的外型復雜的問題都可以使用這種技術加工制作。最重要的它通過使用計算機來仿真計算，聯機操作，對試驗結果進行驗證校對，這對生產來說是很好的保障。但事物都有正反兩方面，光固化成型需要的成本較高，需要良好的工作環境，而且使用這種技術加工而成的產品大多是樹脂類，保存時間比較短，最重要的是這種技術具有難操作性，難以為大多數人所使用。

1.3.2 三維粉末粘結

這種技術使用的成本很低，粉末成型的速度也相對較快，還支持制作彩色原型，同時在制作的時候沒被噴射粘結劑的地方給產品形成起到了支撐作用，產品制作結束后也容易清理。三維粉末粘結技術在模具領域比較適用于小件的成型產品，概念模型、彩色模型以及數學模型都可以適用，甚至在醫學領域還可以用于加工顱骨模型。

1.3.3 熔融沉積快速成型

1988年Scott Crumo提出這種思想，這種技術一般需要熱塑性材料，系統原理簡單，操作簡易，不需要過多的維護設施，系統可以自動控制校準。這種技術具有很高的精準性，可以適用于任意復雜的零件，它自身的裝置也容易分離清。這種具有很多優點的技術也有著不可避免的不足之處，它不適用于大型產品生產，與光固化成型技術相比它生產出的成型產品表面容易具有清晰條紋，需要后期花時間處理。

2 3D打印的工作流程

2.1 成型前的處理

2.1.1 設計模型

模具制造首先需要的就是確定好模具的外型，確定模具外形就要根據要求開始設計模型，設計模型對于模具制造來說十分重要，它不僅是對產品的外形設計，更多的是對制造過程中出現的問題的預計，提前做出的考慮。比如說模具制作中的隨形冷卻注塑模具，不光要考慮到冷卻的效果，更重要的是考慮到冷卻效果兼顧到冷卻質量和效率，所以要提前估算好冷卻通道排布。

2.1.2 添加支撐

3D打印中需要將成型產品保證與基板的契合，在使用三維粉末粘結技術時，鋪粉裝置容易卡住，如果產品發生偏移或者歪斜都會影響加工效果，甚至對設備產生損害。另一方面，這也是為了確保產品的各項特征參數，以防出現特定結構的信息丟失。不同的加工設備所需要的支撐也不相同，一般分為兩類：底部較為平直部分比較多的模具工件就需要使用交錯的網狀結構；底部平直部分較少或為圓柱體的模具工件就使用片狀的支撐。

2.1.3 確定參數

在開始打印前必須要確認工件的各項參數，包括空間位置、鋪粉厚度等。只有確保各項參數的準確無誤才能夠在后面的打印中做到萬無一失。

2.2 成型后處理

2.2.1 取件

打印結束后，將淹沒在粉料里的產品取出來時需要注意：清楚廢料防止廢料污染，使用毛刷進行初步清理，產品表面的粉料回收之后可循環使用。

2.2.2 去支撐

去除支撐一般有兩種方法：支撐較繁雜，產品較大時用線切割的方式；支撐較簡單，產品小件的時候可以采用鑿子直接取件，以達到節省時間的目的。

2.2.3 清粉

模具的冷卻通道部分一般有很多滯留的粉料，這些比較難以清理，可以采用毛刷、吹風機等工具直接清粉。

2.2.4 噴砂

模具工件清粉后仍有部分沾粘的粉料清除不干凈，噴砂可以覆蓋在上面，提高工件的光亮度和精美程度。另外，噴砂還可以消除熱應力，這可以防止后來的使用過程中出現開裂變形的現象。

3 3D打印技術面臨的挑戰

（1）當前能夠提供3D打印機使用的材料只有石膏、無機粉、塑料、光敏樹脂等，這些材料十分單一，主要是塑料，很少有能適合3D打印機的材料。

（2）3D打印面臨的一個重要問題就是它需要CAD（計算機輔助設計）支撐，它是3D打印技術的基礎，然而對于普通用戶來說，學會CAD不是容易的事情，它需要通過計算機來進行設計工作，不是一般的技術人員可以勝任3D打印中CAD的專業人士操作。

（3）3D打印的成本較高，它所需要耗費的成本最終與它的零售價格差不多，不能走規模經濟發展。目前，它只能適用于少量或小批量的生產，不能投入大規模生產中去，即使它在技術方面有很大的優勢。

（4）3D打印可以生產的工件大小受到限制，如今3D打印設備能打印的最大尺寸也僅僅為1.8m×1.8m，這并不能滿足其他大型工件的需求。

4 3D打印技術在模具的發展前景

從上文中可以看到3D打印技術確實有著傳統制作技術所不能比的優點，例如快捷、方便、應用廣泛。但相應的，3D打印技術還在摸索中，甚至很多的研究還在研究室里，所以它的材料、價格、尺寸等都有一定的缺陷，這都需要不斷改進。目前3D打印技術的運用還大多停留在產品開發上，說以3D打印技術代替傳統制作技術還為時尚早，但它給模具制造帶來的改變和新氣象還是不容忽視的，3D打印技術全面引入模具制作中也是一定的，只不過還需要不斷摸索與加強。

參考文獻

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