淺析3D打印技術在模具設計制造領域的應用

袁玉紅 張迅 鄭周青 盧開業 楊仕杰

[摘? ? ? ? ? ?要]? 介紹了3D打印技術的工作原理、3D打印工藝的分類。闡述了3D打印快速模具制造技術的先進性，介紹了3D打印快速制模技術工程應用及我國的一些研究狀況。推出一種把3D打印技術和傳統的模具設計制造專業方向課程結合起來的創新性綜合實驗來激發學生的學習積極性，培養學生工程實踐能力和創新能力。

[關? ? 鍵? ?詞]? 3D打印技術;模具設計制造技術;融合

[中圖分類號]? ?TP391.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2020）09-0166-02

一、引言

“3D打印技術”是一種增材制造技術，不是用傳統的刀具、夾具和機床進行切削加工制造。3D打印系統根據零件圖紙或實物三坐標掃描數據建立CAD三維模型數據，運用“離散/堆積”原理把三維模型進行分層處理，通過打印成型設備把液體、粉末、薄片、絲狀等材料以片層累加的方式制成實物或模型的技術[1]。

與傳統鑄、鍛、焊、機械加工制造方式相比，3D打印技術以開發周期短、節省材料、制造復雜形狀在制造業引起了一場工業革命。3D打印技術滿足了當前個性化、瞬息萬變的市場需求，已經被廣泛應用到機械、電子、汽車、航空、航天等領域。目前應用比較廣泛的3D打印成型工藝有：選擇性激光燒結（SLS）、立體光固化成型（SLA）、直接金屬激光燒結（DMLS）、分層物體制造（LOM）、熔融沉積制造 （FDM）、三維印刷（3DP）、多相噴射沉積 （MJD）等。打印材料多樣化，有橡膠、金屬、陶瓷、玻璃、樹脂、石蠟、石膏等。

二、3D打印技術與模具設計制造技術的融合

在現代工業中，模具是工業生產的基礎裝備。在機械、電子、汽車、航空航天等領域，60%～90%的需模具加工。模具設計水平及速度、制造力量及速度、模具質量都會影響新產品的開發。

傳統的模具主要是采用機械切削加工方式制造，占用的機械裝備多、制造周期長、浪費材料。對越來越快速多變的個性化市場來說，傳統制造因開發速度慢而缺乏市場競爭力。傳統制造還有另一種的局限性——不能加工形狀復雜的模具型腔。把3D打印和模具制造結合起來的快速制模技術因為增材制造、快速制造、復雜結構制造、桌面設備占地面積小、生產成本低特別適合模具生產，所以3D打印快速模具技術在模具制造領域得到了廣泛的研究和應用。如今將3D打印用來直接打印模具手板、打印模具，間接翻制注塑模、壓鑄模、沖壓模、鑄造模等模具。

三、3D打印快速制模技術工程應用

（一）直接制作模具手板

手板是在批量生產前，根據產品外觀圖紙或結構圖紙先做出一個或幾個功能樣板，用來檢查產品外觀、結構的合理性，找出設計產品的弊端。手板可以用來替代真正模具做功能實驗，也可以利用模具手板作技術交流、為生產作準備工作。目前可以運用3D打印技術制作包括樹脂、塑料、紙、石蠟、陶瓷等材料的原型手板。不同3D打印工藝制造出來的手板精度、強度和表面質量有區別，其中用光敏樹脂打印（SLA）手板是目前最流行的一種模式，其表面質量較好。

（二）直接制造模具

應用較多的直接制造模具3D打印工藝有：選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結（DMLS）等。快速模具分為軟質模具和硬質模具。

軟質模具強度較低，易于破損，只能加工出幾件少量的產品便不能重復使用。根據模具材料不同，軟質模具有砂模、塑料模、樹脂模、蠟模等。目前能夠成功利用3D直接打印鑄造用蠟模，打印砂模中的砂芯或型殼等非金屬軟質模具[2]。也可以采用3D打印技術制造具有內置復雜隨形冷卻水道的樹脂注塑模，用來澆注小批量注塑件[3—4];

硬質模具一般是指強度高、力學性能好、可以反復使用的金屬型模具。目前正在研究和使用的快速制模方法有：（1）采用基于LOM工藝方法，直接采用金屬片材，通過激光切割、焊接或黏結金屬片材制造金屬模具;（2）采用金屬粉末堆積成形SLS工藝、3D-P工藝和激光加工凈成形，用激光燒結金屬粉末或利用黏接劑黏結金屬粉末，層層堆積成形制造金屬模具;（3）用FDM金屬絲材熔融堆積制造金屬模具[5]。

用金屬直接打印模具目前還存在許多問題，如能打印的金屬模具材料種類少，金屬粉末品質要求高，價格昂貴，打印模具制造成本高;打印模具綜合力學性能、精度、表面粗糙度都還需要進一步提高;打印機規模小，只能打印制造較小體積的模具。

（三）間接制造模具

間接制造模具是利用3D打印技術結合傳統模具技術來翻制模具產品。用3D打印非金屬型（如紙、ABS、蠟、尼龍、樹脂、陶瓷等）模具原型，根據不同的應用要求，使用不同復雜程度和成形精度的金屬噴涂成形、精密鑄造成形、電鑄成形和粉末燒結成形等工藝翻制模具。間接制造模具一方面可以較好地控制模具的精度、表面質量、機械性能與使用壽命，另一方面也可以滿足經濟性的要求。因此，目前工業界多數采用間接制造模具工藝。

在2002年，單忠德院士在清華大學研究用3D打印結合金屬噴涂成形翻制金屬模具工藝，其中模具原型或軟質模具可以采用LOM、SL、FDM等打印。該工藝被應用廣泛，可以制造注塑模、拉延模、消失模、沖壓模等多種金屬模具[1]。

西安交通大學、華中科技大學、浙江省機電設計研究院、中北大學、北京隆源公司等單位在3D打印快速精密熔模鑄造工藝做了大量的研究工作。采用SLA、SLS打印精密熔模鑄造中的零件蠟模原型，然后在原型的外表面掛漿，得到一定厚度和粒度的殼層，緊緊地包裹在原型的外面，再放入高溫爐中燒掉蠟模原型，得到中空的陶瓷、石膏、金屬樹脂型殼，往型腔中澆注液態金屬即可獲得所需的零件。這種工藝解決了單件小批量、復雜結構零件的熔模鑄造因設計和制造蠟模模具成本高、時間長的缺點[6]。目前，3D打印熔模精密鑄造快速制模技術得到大量應用，但還存在需要進一步研究和解決的問題，如原型零件強度不高、易變形，尺寸精度較低，表面質量較差，殼易翹曲變形，脹裂等[7]。

四、3D打印技術在模具設計及制造系列課程教學中的應用

3D打印技術在機械類材料成型及控制工程專業的模具設計與制造方向的專業方向系列課程教學中也有極其重要的作用[8—9]。目前，模具設計與制造方向專業方向系列傳統課程一般有：鍛造工藝及模具設計、沖壓工藝及模具設計、注塑工藝及模具設計、鑄造工藝及工裝設計等。這些課程結束后要求學生綜合運用基本理論知識，去完成鍛件、沖壓件、注塑件、鑄件的工藝設計及相應的模具結構設計。這些專業方向課程結束后，怎么來檢驗學生的綜合設計能力，一直以來沒有很好的客觀判定方法。

近年來，為了增加學生快速模具制造方向知識，很多學校開設3D打印快速成型與快速制模課程。但很多老師只是讓學生打印一些工藝品的模型，3D打印與模具設計制造的系列課程幾乎沒有相關，學生對快速制模技術的學習理解也不深刻。

為了解決上述存在的教學問題，把相關課程知識進行整合，以鍛煉學生的綜合設計能力，需要采用一種任務驅動式的教學，讓學生在問題中進行探究如何應用專業知識去完成一個設計任務。所以在為期3周的模具設計與制造技術綜合實驗課程中采用探究式教學方法，把傳統的專業課程與3D打印技術相結合，來驅使學生去完成設計任務。

首先，按項目把學生進行5人分組，分組完成某零件的鍛造、鑄造、沖壓、注塑零件的工藝及模具設計;然后，用3D打印機制作模具模型。教師可以根據每組的作品、學生操作3D打印機的熟練程度、計算機建模的質量和速度、工藝方案的優化程度、說明書的撰寫質量來客觀給出綜合成績。設計任務及順序如下：

零件的FDM快速原型制造→鑄件、鍛件、注塑件、沖壓件設計、建模及FDM原型制造→鍛造、鑄造、注塑、沖壓工藝設計及CAE成形工藝優化分析

模具結構設計→模具結構三維建模→FDM打印模具零件→裝配模具，檢驗模具結構的合理性→撰寫說明書

下圖為學生用FDM打印的模具零件：壓板、下模座。通過這個開放性的綜合實驗，學生最終打印出模具的零件并裝配出模具。在設計制作的全過程中，學生學會了怎樣利用專業知識和技能去解決工程問題，提升了他們的工程實踐能力和創新能力。

把3D打印技術和傳統的專業課程結合起來的綜合實驗，給材料成型及控制工程模具設計和制造方向的教學帶來了活力。不但解決了傳統課程的死板枯燥，激發學生的學習興趣，更重要的是培養了學生的工程實踐能力和創新能力，讓他們更能適應現代模具制造業的需要。

五、結語

我國西安交通大學、華中科技大學、清華大學等高校在20世紀90年代開始研究快速成型快速模具制造技術。現在以這些大學為龍頭、以北京隆源公司為代表的很多公司和企業可以運用3D技術直接或間接制造各類模具、快速打印金屬、非金屬零件。把快速模具制造技術應用到機械、電子、汽車、航空航天、口腔醫學、教育等領域，推動我國數字化制造技術的研究和應用。

高校材料成型及控制工程專業把3D打印技術和模具設計制造專業傳統課程有機地結合起來，開發出創新性實驗課程，培養學生模具設計制造方面的工程實踐能力和創新能力，為國家培養更多模具設計制造方向的先進人才。

參考文獻：

[1]單忠德.基于快速原型的金屬模具制造工藝研究[D].北京：清華大學，2002.

[2]劉珌卿.模具制造中3D打印技術的應用研究[J].現代工業經濟和信息化，2019（8）.

[3]劉錦輝，史玉升.具有內置隨形冷卻水道的注塑模具快速制造[J].粉末冶金技術，2008，26（5）：365-368.

[4]王金宏.基于3D打印技術的隨形冷卻塑料模具制造技術[J].模具制造，2018（1）：71-476.

[5]黃秋實，李良.國外金屬零部件增材制造技術發展概述[J].國防制造技術，2008（5）：26-29.

[6]邵中魁，姜耀林.基于3D打印的離心泵葉輪壓蠟模具快速制造工藝研究[J].機電工程，2016，33（4）：434-437.

[7]姜耀林，邵中魁.3D打印在快速熔模精密鑄造技術中的應用[J].機電工程，2017，34（1）：48-51.

[8]楊青山，戴慶偉.3D打印技術在材控專業實踐教學中的應用[J].中國冶金教育，2017（1）：76-77.

[9]王小新.3D打印在塑料制品及模具設計課程教學中的應用探索[J].模具工業，2016，42（11）：68-71.

◎編輯 王海文