3D打印技术在模具制造中的应用

陈楠

摘 要：3D打印技术是最近新兴的一种增材制造技术，特别是在美国奥巴马做了关于3D打印技术的报告之后，更是风靡全球。它在多个领域应用广泛，在模具行业中也占有重要的地位，那么，3D打印是怎样应用到模具之中的？又对模具行业有什么样的影响？会取代传统模具吗？下面将对此做一个简单的探讨。

关键词：3D打印；模具；逆向工程

1 3D打印的产生

3D打印技术最近几年走入了大众的生活之中，但是实际上它已经拥有了30多年的历史。早在20世纪90年代，就有光固化和纸层叠加等快速成型技术，其就是现有3D打印技术一开始发展的形态，在经过几十年的发展之后，3D打印的原材料与方式不断得到拓展，应用范围也越来越广，在今天，这些技术统称为3D打印。

2 3D打印技术的应用范畴

3D打印主要可以应用到工业设计、文化创意产品、工艺美术品、建筑、首饰、服装、各类模型制作、医疗、航空航天、汽车工艺、家电、模具等范畴。范围几乎包括了我们生活的方方面面，但是，3D打印其实并没有大家所想象的这么神奇，其应用在现阶段还受到诸多方面的限制。我们以模具制造为例，来看一下其应用。

3 3D打印技术在模具制造中的应用

3D打印技术在模具领域中主要用于新产品开发试制等。传统模具制作需要用到车铣刨磨钻、电加工等多种加工方式，这些制造方式工艺复杂，时间长且费用高，会影响新产品对市场的响应速度。最重要的是，为了模具使用寿命及成型工艺，有时还需要设计复杂的冷却流道系统。传统加工一般钻直孔来代替，但是在复杂的成型结构中，直孔难以保证产品质量，所以，应用3D打印技术来进行快速模具的制造，可以进行模具的试制和小批量生产。这样就可以解决技术、时间、成本等多方面的问题。

4 3D打印模具应用举例

（1）电铸模

电铸模结合了增材制造和传统电铸，其通过对增材制造原型表面进行打磨、抛光、涂覆电镀层之后将其置入电铸槽进行电铸，以获得金属壳层。通过电铸精确得到原型外表面之后，高温去除原型并处理即可得到需要的电铸模。如飞机模型的发泡模应用。

（2）喷涂模具

此种模具把增材制造技术与喷涂技术结合而成。其过程是用喷枪在增材制造技术得到的原型表面喷射一层金属壳层至2mm左右，再利用铝颗粒与树脂的混合物作为背衬物并埋入冷却管道，去除原型后即可得到喷涂模具。

（3）中低熔点合金模具

其过程是采用增材制造技术得到原型，再将原型翻版为硅胶膜，以硅胶模翻制石膏模，最后通过石膏模得到中低熔点合金模具。其可以满足汽车覆盖件试制模具要求。

（4）复杂随形冷却模具

传统加工方法难以加工成型复杂的流道系统，导致模具的冷却效果不能达到最优，容易出现产品缺陷。利用增材制造技术可以解决随形冷却的问题。

（5）压蜡模具

该技术采用光固化成型技术结合软膜技术，整个模具制作周期只需2天，可以大大缩短企业研发周期，在市场中抢占先机。

（6）粉末冶金快速模具

用SL技术得到的原型翻制出硅胶的中间转换模，再将混有树脂黏结剂的工具钢粉末灌注到中间模中，材料凝固后去除生坯件进行烧结去除黏结剂，最后渗铜处理得到成品。

5 3D打印技术是否能替代传统模具

（1）3D打印成型的零件尺寸受限。现在世界上加工面积最大的3D打印设备工作面尺寸为1.8×1.8m的激光3D打印机，并不能满足工业上大型模具制造需求。

（2）3D打印得到的模具，其力学性能难保证。传统的数控切削加工在生产过程中对零件进行了时效、热处理等工作来保证零件的力学性能，而3D打印技术明显不能完成这些工作，所以，3D打印出的零件从表面上看和传统加工零件一样，实际上其力学性能是难以保证的。所以，要想解决这个问题，就需要找到更好的原材料、改进3D打印技术、并想办法提高3D打印模具的强度、韧性、表面硬度等力学性能。这也是为什么大部分模具都是把3D打印技术作为一个中转过程，比如，做原版模型，或者做不需要那么高要求的试制、小批量生产等工作。

（3）可用于3D打印的材料种类少。传统制造业所用材料的种类繁多，根据不同的使用需求有不同的材料可以选择，但是3D打印材料种类稀少不说，还大部分依赖进口，而进口的材料种类也有限，如以色列Object公司也只有14种基本材料，107种混搭材料，其中可用于工业的就更少了。所以3D打印技术制造零件时，选材受限，会大大提升制造成本。

（4）尺寸精度和表面粗糙度达不到精密模具要求，导致其需要进行后续的机械加工，会再次增加模具的制造成本和制造周期。

6 3D打印技术在我国模具的应用现状

综上所述，我们发现，3D打印技术有很多优点，方便、快捷、应用广泛，但是同时也具有材料受限、力学性能受限、价格昂贵、尺寸受限等缺点。所以，3D打印技术在国内的应用与国外相比有较大差距，像国外的3D打印在义齿、医疗等方面已经普遍应用，国内才慢慢开始。虽然如此，但是我们还是不能够忽视3D打印技术给模具制造带来的改变。将3D打印技术引入到模具设计制造中是必然的，只是达到全方位的应用还需要时间和努力。

我国现在主要把3D打印技术用到产品前期的产品设计、样板制作及成型制造随形冷却水路模具等。由此可见，3D打印在模具行业中的应用阶段主要是样品的生产。利用3D打印制作出的模具来生产样品，然后对生产出来的样品的结构、外观以及功能进行测试，测试合格，就说明该种模具结构设计合理，可以使用，然后还是利用传统加工进行生产模具的制作，以进行大规模生产。所以，3D打印技术对于现阶段来说，主要是辅助生产的工具，多应用于研发阶段。

3D打印技术和传统制造技术各有优劣，但目前3D打印技术还是不能替代传统制造的。

参考文献

[1]苏立祥，朱鹏英，旁文良.关于3D打印技术对机械制造行业的影响[J].工业B，2015，（20）：138.

（作者单位：咸宁职业技术学院）