3D打印，又稱增材制造技術，是一種以三維CAD模型文件為基礎，應用粉狀、絲狀或片狀等材料，通過“分層制造、逐層疊加”的方式來構造三維物體的技術。

 

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（Selective Laser Sintering，SLS）、選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、直接金屬激光燒結（Direct metal Laser Sintering，DMLS）、立體光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、分層物體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）等，不同類型的工藝在不同的領域有著應用的優(yōu)勢。

 

 

圖1  傳統(tǒng)的模具制造過程

 

3D打印技術在模具行業(yè)中的應用，主要分為三個方面：

 

（1）直接制作手板，上述幾種3D打印工藝都能制作手板，只是制作出來的手板的精度、強度和表面質量有區(qū)別，這也是目前3D打印技術最常見的應用方式；

 

（2）間接制造模具。即利用3D打印的原型件，通過不同的工藝方法翻制模具，如硅橡膠模具、石膏模具、環(huán)氧樹脂模具、砂型模具等；

 

（3）直接制造模具。即利用SLS、DMLS、SLM等3D打印工藝直接制造軟質模具或硬質模具。

 

 

圖2  利用3D打印技術（以SLM工藝為例）直接制造模具的流程圖

 

2、3D打印在模具制造中的應用

 

2.1  3D打印技術的優(yōu)越性

 

（1）3D打印技術在生產(chǎn)過程中能實現(xiàn)生產(chǎn)材料“零”浪費。3D打印技術的生產(chǎn)過程是根據(jù)零件的三維設計進行逐層打印，與傳統(tǒng)的“減材”加工相比，實現(xiàn)了生產(chǎn)材料的“零”浪費。

 

（2）利用3D打印技術可以加快產(chǎn)品的研發(fā)進度。3D打印技術改變了設計者的思維方式，他們會根據(jù)零件承重、受力部位的不同進行思考。

 

（3）利用3D打印技術可以大大縮短生產(chǎn)周期。3D打印技術從設計到生產(chǎn)，省去了傳統(tǒng)加工過程中工藝設計與求證的過程，縮短了生產(chǎn)周期，并能根據(jù)市場需求，及時調整生產(chǎn)批量。

 

（4）利用3D打印技術可以大量減少設計、生產(chǎn)過程中的人力資源。

 

（5）利用3D打印技術可以制造具有特殊結構的模具，如隨形冷卻模具，這是傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的，也是3D打印技術在模具行業(yè)應用中的一大亮點。隨形冷卻模具具有諸多優(yōu)勢，可以提高模具的冷卻效率，使得制品冷卻趨于均勻化，提高了產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。

 

 

圖3  香盒隨形冷卻注塑模具

 

2.2  傳統(tǒng)的模具制造過程

 

傳統(tǒng)的模具制造過程是，在接單后還需對接單項目進行評審，評審過關后制定生產(chǎn)進度表，然后進行3D軟件修正、模流分析、分型線及進料點確定，最后反饋給客戶定稿，客戶滿意后才能確定制造用的零件圖，才可以準備加工流程。其加工流程如圖1所示。從圖1可見，采用傳統(tǒng)的模具制造過程加工出一個合格的模具所需要的人力、物力較多，生產(chǎn)周期較長。

 

2.3  利用3D打印技術的模具制造流程

 

利用3D打印技術直接制造模具的流程如圖2所示（以SLM工藝為例），可分為成型前準備、SLM成型和成型后處理三個階段。成型前準備包括模具模型的3D建模、STL格式轉化、添加支撐結構、確定工藝參數(shù)、進行分層切片等數(shù)據(jù)處理；SLM成型階段屬于自動化加工，人工干預較少，只需對SLM設備的工作狀況進行監(jiān)控，保證設備的正常運行即可；成型后處理包括取件、清粉、噴砂、表面打磨、拋光以及其他加工等。下面具體講述利用SLM工藝制造模具的過程。

 

 

 

圖4  隨形冷卻水道設計思路示意圖

 

2.3.1成型前處理

 

（1）模型設計

 

模型設計是模具制造的第一步，直接決定了模具的外形特征，例如隨形冷卻注塑模具，設計時不僅需要考慮冷卻的效果，還需要考慮加工工藝的限制及采用的模具組合方式等因素。冷卻的效果要兼顧冷卻效率和冷卻的質量兩個方面，需要優(yōu)化冷卻通道的排布和結構特征，冷卻通道的設計原則和方法等；加工工藝限制主要是針對SLM工藝的成型特性，在設計時對某些特征的處理，以保證模具在成型制造時不會導致特征丟失，例如，微小特征、懸空結構等；隨形冷卻注塑模具比較經(jīng)濟和實用的模具組合方式是鑲嵌式。

 

（2）添加支撐

 

添加支撐的目的主要有兩方面，一是為了將成型工件固定在基板上，這是由于在模具成型的過程中，由于鋪粉時需要將粉料均勻緊密地平鋪在基板上，鋪粉時存在一定的剪切力，若成型零件在基板上未固定或固定不足，輕微的移位會導致加工完成的工件錯層，嚴重時工件有可能卡住鋪粉裝置，損壞設備。因此，需要足夠的支撐將成型工件固定。二是為了防止特定結構打印時的特征丟失，這主要是針對傾角較大的結構。

 

添加支撐是成型前處理的重要工作，對工件的成型質量有著重要影響。不同加工設備的支撐有所區(qū)別，主要分為兩類，一類是交錯的網(wǎng)狀結構，主要應用于底面平直部分較大的工件支撐；另一類是片狀的支撐，應用于圓柱面等非平直曲面的支撐。最小的支撐高度，即最低成型面到基板平面的距離，過高則造成工件的總成型高度過大，所需的鋪粉粉料用量變大；過低則會造成取件困難，綜合考慮，一般選擇3至5mm。

 

 

表1  模具效果對比

 

（3）確定工藝參數(shù)

 

工藝參數(shù)直接決定了成型工件的質量。工藝參數(shù)包括鋪粉厚度、激光掃描速度、掃描方式、工件擺放的空間位置等。

 

2.3.2成型后處理

 

（1）取件

 

3D打印成型完畢后，打印工件淹沒在粉料里，取件時先將熔結產(chǎn)生的廢料清除，防止廢料污染粉料；然后將工作臺上升，在加工倉內進行初步的清粉，使用毛刷將未燒結的、依附在工件表面的粉料清掃入粉料回收缸，以備循環(huán)使用，最后將工件和基板一并取出。

 

（2）去除支撐

 

取件后，需將工件與基板分離，通常采用線切割、鋸等方式。線切割分離時間較長，多用于支撐較多，支撐連接處具有薄壁特征的工件分離，因為該分離方式較為柔和，不會造成工件變形。當工件較小、支撐較少，或支撐連接處為實心結構時，為節(jié)省分離時間，也可以采用鑿子直接將工件取下。

 

（3）清粉

 

該清粉主要針對模具的冷卻通道部分，可以采用毛刷直接清粉，也可以使用吸塵器或吹風機等輔助設備去除滯留在冷卻管道內部的粉料。冷卻通道的結構對清粉難度有一定的影響，例如直徑、通道曲率半徑等。

 

（4）噴砂

 

噴砂是采用壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料（銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海南砂等）高速噴射到需要處理的工件表面，使工件的外表或形狀發(fā)生變化，獲得一定的性能。對于SLM工藝成型的工件，噴砂主要有以下兩個目的：1）噴砂能清理粘連在工件表面的粉料，提高工件的光潔度和精度。工件表面在成型時會粘連少量未完全燒結的粉料，連接強度雖然較低但清粉時難以去除，因此采用噴砂處理。2）消除熱應力，提高工件的機械性能。粉料在燒結的過程中，熱應力積累，成型的工件內應力大，為防止使用過程產(chǎn)生變形或開裂，采用噴砂處理將其消除。

 

（5）其他加工

 

SLM工藝的技術優(yōu)勢在于成型內部具有復雜、非規(guī)則結構的工件。注塑模具內部具有冷卻通道，外部具有各種結構類型，如凸臺、凹孔等。目前，由于SLM工藝成型的工件表面粗糙度較大，精度難以控制，將SLM成型的模具直接應用于塑料成型還不成熟，尤其是對表面光潔度、精度要求較高的塑料制件。因此，還需要借助其他傳統(tǒng)機械加工方式進行后續(xù)加工，才能滿足模具的精度、表面質量等要求。

 

2.4  3D打印技術在模具中的應用研究

 

目前，在國內，3D打印技術在模具中的應用研究，大多基于各研究單位自身在3D打印技術研究的基礎上進行的，如華中科技大學、華南理工大學等，并取得了一定的進展。

 

華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，主要研究激光與材料的相互作用機理，建立3D打印過程中零部件性能與精度的控制方法，形成材料、工藝、裝備一體化的成套技術體系，解決大型復雜高性能零部件的快速整體成形制造。其選擇性激光熔化技術（SLM）可成形任意復雜結構和接近100%致密度的金屬零件或模具，材料利用率超過90%，已在航空航天、汽車、精密鑄造等領域得到了應用。

 

2005年，華中科技大學魯中良等基于國內對注塑模、直線冷卻水道設計的研究成果及國外對注塑模隨形冷卻水道的建立規(guī)則，提出了基于注塑模與注塑件均勻冷卻的設計方法。根據(jù)該設計方法制造出電池盒注塑模，相對于直線冷卻水道而言，采用帶有隨形冷卻水道的注塑模成型電池盒注塑件，其成型周期減少約20%，變形減少約10%。2007年，華中科技大學史玉升等提出了基于離散/聚集模型的隨形冷卻水道的設計方法，建立了截面為圓形、橢圓形、半橢圓形、U形的冷卻水道的傳熱模型，并使用SLS成功制造了香盒模具，模具如圖3所示，其冷卻水道設計思路示意圖如圖4所示。

 

2.5  3D打印模具制造應用實例

 

下例是江蘇永年激光成型技術有限公司利用SLM三維打印技術制造的長虹B4500平板電視底座支架的隨形冷卻注塑模具，如圖5至圖9所示。

 

 

圖5  制品鑲件示意圖

 

模具效果如表1所示。與使用鈹銅做鑲件相比，可以使得冷卻周期從50s降低到25s，冷卻效率提高了一半。

 

從該案例可以看出，傳統(tǒng)設計制作的冷卻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打印技術為模具設計隨形冷卻水路，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，這樣可以縮短成型周期，并且不會因成型周期縮短而有殘余應力及翹曲等問題發(fā)生。

 

 

圖6  滑塊鑲件傳統(tǒng)冷卻與隨形冷卻對比

 

由3D打印技術制作的模具，冷卻水路或其他管道設計具有位置及造型的無窮想象空間，隨形冷卻水路是完全只依模具外型所設計的水路，能使生產(chǎn)過程獲得最大的成效，可提升30~70%的產(chǎn)能時效與質量良率，這意味著1000億美元容量的全球模具制造領域，都可以受益于3D打印打來的商機。隨形冷卻水路應用在模具行業(yè)非常有前景，特別是在高端精密模具市場，未來的市場價值可達幾十億甚至上百億元人民幣。

 

3、3D打印技術短期內無法替代傳統(tǒng)模具制造技術的原因分析

 

（1）3D打印模具的零件尺寸受限。2013年華中科技大學成功研制出1.2×1.2m的金屬3D打印機，這在當時是世界上加工面積最大的設備。2013年大連理工大學成功研制出工作面尺寸達到1.8×1.8m的激光3D打印機，其技術刷新了世界最大的3D打印機記錄，但這些設備仍不能滿足工業(yè)上大型模具的制造。如何解決3D打印大型模具的技術難題是目前需要解決的問題。

 

 

 

 

 

圖7  動模小鑲件傳統(tǒng)冷卻與隨形冷卻對比

 

（2）3D打印模具的力學性能難保證。力學性能是零件的重要參數(shù)，為零件的選材、設計、失效及分析、使用和壽命提供了主要依據(jù)。據(jù)權威部門統(tǒng)計，由于材料失效所造成的經(jīng)濟損失約占發(fā)達國家年生產(chǎn)產(chǎn)總值的4%，其中航空工業(yè)材料失效又占材料失效的5%，可見零件力學性能的重要性。為此，傳統(tǒng)的數(shù)控切削加工為了保證零件的力學性能，在生產(chǎn)過程中較多的時間是在對零件進行時效、熱處理等相關工作。而3D打印技術卻不能完成這些工作，從而打印出的零件的力學性能較難保證。如何找到更好的3D打印原材料、如何改進3D打印技術、如何結合金屬熱處理等技術提高3D打印模具的強度、韌性、表面硬度等力學性能是3D打印急需解決的難題。

 

（3）3D打印技術可使用的材料種類較少、能提供打印材料的供應商有限。傳統(tǒng)制造業(yè)所用材料的種類繁多，同一形狀的零件因使用部位不同，考慮到經(jīng)濟及其他因素，所使用的材料大不相同。而目前我國的3D打印材料依賴進口，而掌握最多打印材料的以色列Object公司也只使用14種基本材料，107種混搭材料，這些材料中能用于工業(yè)的就更少了。3D打印技術在打印零件時，將不能因零件使用要求選材，從而提升了制造成本。

 

（4）3D打印技術目前所能達到的尺寸精度和表面粗糙度還不能完全滿足精密模具的設計要求，這是限制3D打印技術在模具中應用的一個關鍵點。如果3D打印制造的模具需要過多的后續(xù)機械加工，這就會再次增加模具的制造成本，增加了模具的制造周期。日本研發(fā)的3D打印與銑削復合的加工系統(tǒng)提供了一個很好的借鑒，充分結合3D打印和傳統(tǒng)加工二者的優(yōu)勢，這是解決3D打印精度難以控制的一個思路。

 

4、3D打印技術在廣東模具行業(yè)中的應用現(xiàn)狀

 

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，尤其對像廣東這樣的模具大省來說，3D打印技術引入到模具設計和制造中來是一種趨勢，無論是對于前期的產(chǎn)品設計、制作樣板，還是成型制造隨形冷卻水路模具等應用。對于模具企業(yè)來說，雖然不具備3D打印設備的研發(fā)能力，但占據(jù)著模具市場資源這一大優(yōu)勢，可以為推廣3D打印技術在模具中的應用提供極大的便利。

 

 

 

 

圖8  模具鑲件加工實物

 

例如，3D打印對東莞傳統(tǒng)制造業(yè)帶來巨大沖擊。隨著3D打印市場化步伐加快，預計到2020年，東莞八大支柱產(chǎn)業(yè)中大部分都會受到?jīng)_擊。當然，這既是一種沖擊，也是一種機會。作為東莞傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的模具行業(yè)，正面臨著轉型升級的壓力，很多企業(yè)已經(jīng)感受到3D打印可能帶來的沖擊，就會主動尋求機會，去利用3D打印技術研發(fā)新產(chǎn)品、提供更高價值的服務，同時再結合企業(yè)需求，去研發(fā)或者改進3D打印機、研發(fā)3D打印材料等等。這是從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)往智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程。3D打印技術也將衍生出一些新的產(chǎn)業(yè)，如，專門從事3D打印產(chǎn)品設計的創(chuàng)意公司、3D打印材料供應公司、3D打印應用超市等。

 

目前，在東莞，已經(jīng)有二三十家企業(yè)在制造業(yè)領域使用3D打印技術，模具企業(yè)是應用3D打印技術最多的行業(yè)，模具企業(yè)應用3D打印技術，主要集中在樣品的生產(chǎn)上。樣品生產(chǎn)出來之后，對產(chǎn)品的結構、外觀以及功能進行測試，合格的才制作模具，然后進行大規(guī)模生產(chǎn)。將3D打印作為輔助生產(chǎn)的工具，主要應用在研發(fā)階段。

 

使用3D打印技術的優(yōu)勢在于可以大大縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本。比如，一副模具的隨形水道的加工，采用傳統(tǒng)的制造技術，難度很大，還要經(jīng)過至少5個人的手，大約12個工作日才能完成，有時還會造成材料的浪費。但利用3D打印技術，73小時就可以完成，這樣就能夠不斷提高市場競爭力，在發(fā)展中搶得先機。同時，也應該理性地認識到，3D打印技術是無法取代傳統(tǒng)的模具制造技術的，兩者是相互補充的。

 

此外，2013年4月在“中國模具制造名鎮(zhèn)”、“廣東省模具制造專業(yè)鎮(zhèn)”的東莞橫瀝鎮(zhèn)，在橫瀝模具產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心內組建了橫瀝鎮(zhèn)模具產(chǎn)業(yè)3D打印技術公共服務平臺。希望在該平臺的推動下，借助3D打印技術，進一步提升橫瀝鎮(zhèn)及周邊地區(qū)模具制造相關企業(yè)的市場快速應變能力、產(chǎn)品開發(fā)和技術創(chuàng)新能力、綜合競爭力，從而促進產(chǎn)業(yè)集聚，打造產(chǎn)業(yè)特色，助力模具產(chǎn)業(yè)轉型升級，帶動模具產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)新一輪增長。

 

5、結束語

 

3D打印技術和傳統(tǒng)制造技術都存在優(yōu)勢和劣勢，目前，3D打印技術還不能替代傳統(tǒng)制造技術。為此，只有通過探索、研究，取兩技術之長來推動制造業(yè)的高速發(fā)展。

 

從2014年6月在上海舉行的第十五屆中國國際模具技術和設備展上來看，國內外許多3D打印公司，如美國3D Systems公司、Stratasys公司、德國EOS公司、中國的馬路科技顧問股份有限公司、實威國際（研威）股份有限公司、煙臺泰利汽車模具制造有限公司、上海光韻達三維科技有限公司、南京恒宇三維技術開發(fā)有限公司、杭州先臨三維科技股份有限公司、普立得科技有限公司、上海福斐科技發(fā)展有限公司、磐紋科技（上海）有限公司、上海美唐機電科技有限公司等，都展出了各類3D打印設備和技術。3D打印技術的參展商呈現(xiàn)增加趨勢，這也說明未來3D打印技術在模具中將會獲得更加廣泛的應用。

 

但總體來看，國內目前進行3D打印模具應用研究的企業(yè)并不多，未來3D打印技術的產(chǎn)業(yè)化、市場化，模具制造是一個很好的發(fā)展方向，尤其對于廣大模具制造企業(yè)來說。這是由于，從3D打印的應用來看，航空航天、軍工領域技術要求較高，醫(yī)療領域準入條件高、個性化定制需求有限，而在模具行業(yè)，結合眾多模具企業(yè)和模具專業(yè)鎮(zhèn)的基礎優(yōu)勢，3D打印的推廣和應用更具有優(yōu)勢。

 

 

 

 

圖9  拋光裝配完后的注塑模具

 

目前，針對3D打印技術和傳統(tǒng)加工技術存在的不足和優(yōu)勢，讓它們相容互補是3D打印技術發(fā)展的方向。主要集中在兩個方面：

 

一是企業(yè)在開發(fā)新產(chǎn)品時，可以利用3D打印技術制造樣品，傳統(tǒng)制造技術進行批量生產(chǎn)。因為這樣不僅可以去除傳統(tǒng)模具制造先做模具，通過模具制造出樣品，再進行多次修改，最后制作出滿意的樣品的步驟，還可以讓傳統(tǒng)制造的批量生產(chǎn)彌補3D打印速度慢、制作終端產(chǎn)品成本高的劣勢，從而加快了產(chǎn)品上市的時間，提高了經(jīng)濟效率。

 

二是應用3D打印技術能夠制造復雜零件的優(yōu)勢，加工制造具有特殊結構的模具，如帶有隨形冷卻水道的模具等。