3D打印技術對模具制造技術的影響分析

鄧平堯

（九江職業大學，江西 九江 332000）

就現如今的情況來看，對產品進行制造的這一過程大多需要依靠模具的制造這一技術，現在的工業產品基本上60%～90%需要依靠模具去進行加工[1-2]。模具制造這一技術很大程度上將生產的速率進行了大幅度的提升，也促進了產品的更新換代進程的發展。但是模具制造這一技術同樣也存在著一定的不足，通常來說對模具進行開發的技術方面難度非常大，且隨著零件外觀的變化，對模具進行制造時的難度也會有所不同，越是結構復雜的零件，對其相應模具進行制造的難度就越大。為此需要考慮到市場方面風險的影響，且對模具進行加工需要對生產的量進行保證，進而使產品生產的成本能夠降低。

3D打印技術也可以被稱為增材制造技術，其能夠與傳統制造的一些方法進行相互的補充。隨著3D打印這項技術的發展，傳統的模具制造行業也出現了非常重大的突破以及改革。3D打印機其工作原理類似于噴墨打印機的工作原理，但是3D打印機使用的材料是蠟、粘結劑、樹脂或者是塑料。按照3D打印機其使用材料的不同，其可以被分為熔融沉積的成形、熔融蠟的打印技術以及粘結劑的打印技術等。盡管這些3D打印的技術其種類不同，但是基本的技術成形方面的原理大致類似，即使用CAD軟件建模，將模型分層切片，之后再利用3D打印機逐層去打印，進而打印出三維的實體。

1 快速模具技術

3D打印這項技術由于材料方面的限制，其一些成形了的實體很難形成最終產品。為此，可以將把3D打印與模具制造這兩項技術進行結合，創造出一個全新的技術，也就是快速模具的技術[3]。

快速模具大致有硬質的模具以及軟質的模具、直接制造的模具以及間接制造的模具這兩種分類方式。軟質模具的主要原料是環氧樹脂、硅橡膠、模具砂以及低熔點的合金，這類型的模具大多適用于小批量的生產過程；硬質模具主要以工具鋼為原料而制成，這類型的模具大多適用于大批量的生產。直接制造的模具即只需要3D打印就可以直接獲得模具；間接制造的模具即只有母模這一部分是利用3D打印得到，由環氧樹脂、硅橡膠、陶瓷或者是低熔點金屬等材料制作而成的模具，需要利用母模去進行澆鑄而形成 。

2 3D打印技術以及模具制造技術在應用于實際生產中的異同

3D打印與模具制造這兩個技術其目的都是要對原材料進行加工進而形成實體零件，但這兩種技術在實際的生產過程有許多的差異[4]。以圖1所示的零件進行加工的過程為例，對這兩種不同的加工技術進行分析。

圖1 零件進行加工過程

2.1 3D打印的技術

利用3D打印這項技術去制造模具大致可以分為下面3個步驟：分析接單、利用軟件進行造型設計以及轉換打印。整個過程的主要原理是以零件圖為依據，利用計算機去進行三維設計進而設計出模型的造型（見圖2），之后再進行斷層掃描進而使整個三維造型被無限的切成疊片，分片打印，最后再將所有的片進行疊加組合成為一個立體的物體。

圖2 模型造型

以之前所舉的例子進行分析，這個過程的工作原理大致是，首先撒上一層進行打印時需要用到的粉末狀材料，并利用噴嘴使黏合劑能夠噴在相應的需成型區域，使粉末狀材料之間黏接，進而組成零件的截面，之后再不斷地對鋪撒粉末狀材料、黏接這一過程進行重復，將所有截面層層疊加就可以得到最終的零件。相比那些傳統制造的工藝，這一種數字化的制造方式具有無需眾多人力和復雜工藝、加工的材料少以及生產的周期短等優點。

2.2 傳統的模具制造

傳統的對模具進行制造這一過程就是在接單之后評審接單的項目，如果評審過關了就可以制定相應生產進度的表，之后利用3D軟件進行模流分析、修正、確定進料點和分型線，最后將設計交給客戶進行確認、定稿，如果客戶對設計滿意就可以將零件圖確定下來，并進入加工流程。對加工流程進行分析之后，我們可以發現利用傳統的模具制造方式進行加工具有著需要物力和人力過多、生產的周期太長等缺點。

3 3D打印技術在進行模具制造時具有的優點

3.1 成本低

使用3D打印這項技術雖然在進行金屬制造方面的工作會有較高的成本投入，但在塑料制造方面的成本投入卻相對來說較少。因為一些材料其本身的成本就非常高，如果使用這些材料并利用傳統的制作方法去加工模具的話，即使只是出現了一點小小的失誤，也可能會使得材料報廢，加大模具制造的成本，非常的得不償失。但如果利用3D打印這項技術去制造模具，由于3D打印具有的靈活性能可以讓工程師能夠進行多次迭代，同時減少由于修改模具的設計而帶來的成本，對模具生產的過程具有非常積極的影響，并使模具制造的成本能夠顯著降低[5]。

3.2 縮短生產周期

3D打印這項技術能夠利用計算機去進行三維的設計并將其轉化變成實物的模型，這樣一個過程具有自動、效率高、快速、精確以及直接等優點，進而可以使得模具的生產周期大大地縮短。利用3D打印這種技術去制造模具，可以在短短的幾個小時內就完成制造模具的相關過程，這可以被認為是使模具實現從平面圖轉化為實體的一個飛躍。使用傳統的方式制造模具需要在前期進行大量資金的投入才能使得模具后期制作的質量能夠保證，因此在進行實際的模具制造過程中，需要對設計的方案進行嚴格討論，一旦發現質量方面的問題，就需要為了使損失減少而推遲或者是放棄對產品的設計以及更新。但如果是采用3D打印這項技術去制造模具，就可以很好地促進企業更新換代的進程，推動企業的發展。

3.3 為產品未來的發展方向提供更多可能性

隨著對3D打印這項技術的進一步使用，可以利用其將計算機中任一形狀的三維圖形轉化實物的產品，在這樣一個過程中可以減少對于機床、刀具以及夾具等機械零件的使用。且由于我國相關的技術水平的不斷提高，以及材料種類的增加，我國3D打印的技術開始朝著多元化這一進程發展，促進了我國在3D打印這項技術方面水平的持續提升，也推動了我國未來的更好發展。

4 3D打印技術在進行模具制造時的不足

4.1 模具的力學性能難以得到保證

力學性能作為零件的一個關鍵參數，其為零件的設計、選材、使用壽命以及失效分析等都提供了重要依據。據統計，因為材料的失效而帶來的經濟損失大概在發達國家的年度生產總值中占4%，而航空工業方面的材料失效在整個材料失效重占據了5%，由此我們可以得知零件的力學性能的重要程度。為了保證零件能夠具有規定的力學性能，傳統數控切削這一加工過程會在生產時花大量時間去對零件做熱處理和時效等有關處理。但是3D打印這項技術卻不具備這一過程，因此利用其得到的零件其力學的性能方面很難得到保證。

4.2 模具的尺寸受到限制

目前最大的3D打印機是由大連理工大學的姚山教授及其所在團隊于2013年成功設計和研制出來的，其工作面的尺寸為1.8 m×1.8 m，但遺憾的是這依舊沒有辦法滿足在工業上對制造大型模具方面的要求。

3D打印這項技術相比于傳統模具制造的技術還存在優點以及不足，因此其目前還沒有辦法完全取代傳統的模具制造的技術。但是隨著我國有關技術方面的水平在顯著提升，我國的3D打印這項技術也會跟隨著時代的腳步而不斷進步，進而促進模具制造這一行業能夠高速、可持續地發展。由此看來，3D 打印這項技術在模具的設計以及制造領域具有的前景非常廣闊。