探討模具制造中3D打印技術的關鍵技術

李文揚

摘要：進入21世紀之后，科學技術高速發(fā)展，促使3D建模軟件得到大范圍普及，3D打印技術也因此得到了應用和發(fā)展。3D打印技術的問世是一件改變傳統(tǒng)制造業(yè)模式的事情，自問世以來，3D打印技術已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展最為前端的產(chǎn)品，并且逐漸在各行各業(yè)進行了廣泛的滲透模具是工業(yè)生產(chǎn)中重要的技術基礎，模具行業(yè)是一個跨度非常大的行業(yè)，與制造業(yè)的各個領域都有關聯(lián)。因此，本文主要探討在模具制造過程中合理有效的使用3D打印技術，能有效提升模具設計和制造的整體效率，推動模具向更復雜、更經(jīng)濟、更快速的方向發(fā)展。

關鍵詞：模具制造;3D打印;關鍵技術

引言

工業(yè)制造和模具是高度依存的，模具行業(yè)的發(fā)展水平可以折射出一個國家的制造業(yè)水平，而對制造業(yè)的發(fā)展來說，3D打印技術產(chǎn)生之前，各個地區(qū)的加工制造業(yè)都是運用模具作為生產(chǎn)主力。過去的幾十年內(nèi)，傳統(tǒng)的模具為加工制造業(yè)做出了巨大的貢獻，因此，很多人將傳統(tǒng)模具稱為“工業(yè)之母”。3D打印技術的應用可以制造出結構較為復雜的零件，實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝形式無法達到的打印效果，簡化了生產(chǎn)流程，加快了制造速度，是未來所重點發(fā)展的技術類型。

1 3D打印技術概述

3D打印技術也被稱作是增材制造，主要是在數(shù)字化技術支持下來對規(guī)則或者不規(guī)則三維化、立體化固體物品處理加工所展現(xiàn)的能力。通過高效率的處理加工會讓物體快速成型。從應用本質上來看，3D打印技術是依托計算機技術所開發(fā)設計出的一種輔助性軟件，在這個輔助性軟件的作用下會對特定加工模型實施數(shù)字化切片處理，由此將實體模型加工改變?yōu)閿?shù)字模型，為相關人員的工作開展提供支持。

2 3D打印技術在模具制造中的應用優(yōu)勢

3D打印技術是以三維數(shù)字模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式構造物體的技術，又稱增材制造。近年來，隨著3D打印技術的推廣與應用，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，它可以彌補傳統(tǒng)制造方法的短板，在模具制造領域中具有廣闊的應用前景。而在模具制造中合理使用3D打印技術，能夠有效彌補傳統(tǒng)模具加工技術中存在的不足，它方便快捷、應用廣泛，整個過程不需要使用任何刀具或其他模具，可直接在計算機上設計產(chǎn)品、規(guī)劃生產(chǎn)流程、優(yōu)化工藝、完善生產(chǎn)問題，能有效提升計算精確度，縮短工作時間，提高工作效率。

3模具制造中3D打印技術的關鍵技術

3.1熔融材料沉積與熱成形打印技術

分析熔融材料沉積與熱成形打印技術主要是應用于各種高分子打印材料的快速打印，其技術可以充分利用打印材料的化學熱熔性、熱學可塑性與材料黏結性三個特征，一層層打印進行快速打印材料模型的熔融堆積與熱成形。這種技術及其優(yōu)點是因為使其材料多樣、強度高與制造成本低，但其在構件產(chǎn)品設計制造工藝精度高等方面可能達到得不到實際要求，不能廣泛用于復雜的鋼結構構件產(chǎn)品的設計制作。

3.3立體光固化成型工藝技術

立體光固化成型工藝技術主要是將特定波長、強度的紫外線或激光，聚焦照射到一種液態(tài)立體光敏感性樹脂成型材料的晶體表面，使其由光向點從光到點向線、由點從線到點表面從而發(fā)生光聚合反應的成型技術，該成型技術被稱為最常見的3D型光打印成型技術。該系列打印材料技術同時具有打印材料綜合利用率高、強度高與打印精度高的三大特征，可以廣泛應用于大到精細機械零件的塑料加工與印刷打印中。

4 3D打印技術在模具制造中的應用方式

快速模具是將3D打印技術應用于模具制造技術中形成的產(chǎn)物，按制模材料可分為軟質模具和硬質模具，按制模工藝可分為直接制造模具和間接制造模具。下面介紹幾種典型的應用方式：

4.1直接制造軟質模具

直接制造軟質模具是以硅橡膠、環(huán)氧樹脂、低熔點合金和覆膜砂為原料，通過3D打印技術直接成形的模具，主要技術由SLS（選擇性激光燒結）和SLA（光固化成型）兩種。SLS采用紅外激光器作能源，逐層將粉末材料有選擇性地燒結成型，具有制造工藝簡單、材料利用率高、價格便宜、成型速度快等特點，可直接完成砂模制造。其打印制件的精度和表面粗糙度都可以達到用常規(guī)模具制造方式制造的砂模，但其結構疏松、多孔、有內(nèi)應力、表面粗糙，而且容易產(chǎn)生有毒氣體和粉塵，造成環(huán)境污染。SLA是基于液態(tài)光敏樹脂光聚合原理工作的，是目前研究最多、技術上最為成熟的方法。

4.2間接制造軟質模具

間接制造軟質模具的原材料與直接制造的方式相同，不同之處是需要先用3D打印技術制造模芯，再以模芯為母模復制加工模具，主要有金屬噴涂和硅橡膠澆鑄兩種方式。金屬噴涂是在3D打印原型的表面噴涂熔點較低的合金或金屬，形成金屬薄殼后再填充復合材料制成模具，這樣的方式制造速度快，常用于標準件的模型加工制造中;硅橡膠澆鑄是在模型表面涂刷脫模劑后，將其固定放置在模框內(nèi)，然后向?？騼?nèi)澆鑄硅橡膠懸浮液，等其完全固化后，沿分割線將其剖開，把模型取出后就可以得到一套硅橡膠模具，但這樣的制作方式經(jīng)常會出現(xiàn)模具固化不完全，生產(chǎn)零件時出現(xiàn)溢料等問題。

4.3直接制造硬質模具

利用3D打印技術直接生產(chǎn)模具和金屬零件，是近幾年的主要研究課題。SLM是通過高功率的激光直接將金屬粉末熔化，經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術，整個過程不需要黏結劑。常用的金屬粉末有鐵粉和銅粉，銅粉一般用于強度要求較高的零件，鐵粉常用于零件精密程度較高的模具制造中，模具的表面光潔度直接決定最終注塑零件的外觀。因此，使用3D打印技術制作模具時，打印過程必須非常穩(wěn)定，才能生產(chǎn)出高密度零件，進而保證后續(xù)加工中實現(xiàn)完美的表面光潔度。

結束語

隨著3D打印技術的發(fā)展，其應用領域越來越廣泛。3D打印的高復原和高精度數(shù)字化功能在模具制造行業(yè)很受歡迎。但3D打印技術也存在打印材料單一、價格昂貴、打印效率有待提升、零件尺寸受限、打印成品表面不夠光滑等缺點，目前打印工藝還在繼續(xù)摸索中，仍需進一步優(yōu)化成型工藝參數(shù)，增加打磨、拋光等后處理工藝，提升打印成品質量。

參考文獻

[1]陳瑞兵.3D打印技術下塑料模具制造技術研究[J].中國新技術新產(chǎn)品，2020（3）：30-31.

[2]陳隆波.3D打印技術在模具行業(yè)中的應用現(xiàn)狀[J].南方農(nóng)機，2018（11）：15+21.