3D打印技术在模具行业中的应用探索

林广平

【摘 要】介绍工业制造3D打印技术工艺原理及应用，针对塑料制件产品开发以及注射模具设计与制造的技术特点和要求，通过3D打印技术的引入革新产品开发思路及打破传统注射模具设计与制造工艺，有效提升产品开发的有效性以及注射模具结构设计的优化，解决模具制造技术上的难题，进一步提高和保证模具性能和优越的产品质量。

【关键词】3D打印技术；注射模具；3D随形冷却系统

一、引言

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，其以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将陶瓷粉末、金属粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品，它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，打印材料由传统的墨水、纸张转变为粉末状陶瓷、金属、塑料等经过处理的特殊材料。

在模具行业中，3D打印可以制造具有特殊结构的模具部件，如3D随形冷却系统的成型部件，解决了传统制造手段难以实现的技术难点，3D随形冷却系统的应用有效提高模具的冷却效率，趋于均匀化，提高了产品质量和生产效率。

二、3D打印技术应用介绍

3D打印技术的出现率先实现增材制造的是快速成形技术，又称为自由成形技术。无需经过传统的机加工手段和模具，就能直接制作出复杂的三维模型，并且快速成形只需传统切削法30%～50%的工时和20%～35%的成本，被譽为可以颠覆传统工业制造理念的革命性技术，一项前瞻性可变性创新性非常强的技术，它以其不可比拟的独特优势作用于传统制造业的关键环节。目前应用比较广泛的3D打印成型工艺主要有：选择性激光烧结、选择性激光熔化、直接金属激光烧结、立体光固化成型、熔融沉积成型、分层物体制造等，不同类型的工艺在不同的领域有着应用的优势。

三、3D打印技术在模具行业中的应用

1.3D打印技术在产品设计中的应用

产品设计随着时代、科技和人文艺术的发展而不断更新，随着3D打印技术的发展与应用，产品的生产方式已不再成为设计师想象力的束缚，能更专注于产品形态创意和功能创新。目前产品设计流程的平行化越来越受到重视，通过改进产品设计开发流程，并行考虑产品生命周期各阶段因素，强调后续环节可能出现的问题要在设计的早期阶段就被析出并加以解决，最大限度地减少设计反复，缩短产品设计开发时间。在产品并行设计条件下，产品开发过程的各环节、各要素在可能的情况下同时工作，协作运行。在产品并行设计过程中，3D打印技术的应用是整个设计流程的关键，设计团队能够在设计阶段把概念模型精准地变为实物，为设计交流与讨论提供保障。它有别于传统的设计思路，仅能借助极为抽象的概念模型或2D平面图纸作为可视化媒介开展设计讨论，无形中限制了团队间关于开发产品概念的有效交流。3D打印的应用能够让设计团队中的每个成员，乃至产品用户都能够直观地看到和触模这些概念模型，比较它们之间的结构、外形和功能的差别与优劣，准确地反映出产品概念存在的问题，进而修改设计，重复这个设计迭代过程，直到产品概念完善为止。

2.3D打印在模具制造中的应用

目前制造业领域使用3D打印技术的企业众多，其中模具企业是应用3D打印技术最多的行业，常用于样品的打印，对产品样品的结构、外观以及功能进行测试合格后，才开始模具的制造。近年来，随着金属3D打印技术不断革新和成熟，越来越多的模具企业研究3D打印技术在模具制造中的应用，利用3D打印技术的优势进一步缩短模具生产周期、节约生产成本。

金属3D打印在模具制造中主要用于模具镶件的打印，模具3D随型冷却系统型芯型腔镶件和异形滑块的直接打印比传统加工手段的生产效率和效益都大幅提高，并不受产品内部结构及复杂形状所约束。传统设计制作的水路都是以钻孔方式完成，其直线圆管状造型另须避开结构或组装原件，因此水路设计极其受限。而使用3D打印技术（DMLS）为模具制造3D随型冷却水路，除了可以使模具局部温度降低或达到均温之外，并可对模具进行更快速的冷却处理，这样将可减少脱模速率和成型周期，并且不会因时间缩短而有残余应力及翘曲等问题发生，具有传统水路无法比拟的冷却效果。

传统冷却系统与3D随型冷却系统比较，如图1示。

左为传统冷却系统，右为3D随型冷却系统。传统冷却系统设计时需考虑镶件和结构的避让，无法把冷却水路设计到合理的位置，如上图型芯镶件的冷却水路无法随着形状均匀地设计，因此，冷却效果会受到极大的影响，局部会受冷却效果影响使产品存在着变形的风险；传统冷却水路的设计受限，主要受到传统制造工艺的影响，传统的制造手段无法给冷却系统设计提供保障，仅能通过镶嵌或钻孔的工艺手段实现冷却系统布置。随着金属3D打印技术的不断提高和在模具行业中的应用，给冷却系统的设计提供了创新的平台，设计者不用受传统制造手段的限制，能够灵活根据模具和镶件结构设计随形的冷却系统，把冷却水路均匀地布置在模具成型镶件中，使模具能够快速冷却并获得良好的匀温效果。

传统制造手段与金属3D打印水路比较，如图2示。

3D随形冷却系统相比传统冷却系统具有如下几点优势：①有效缩短注塑或压铸过程中的冷却时间，减少脱模速率和成型周期，生产效率将大幅提高，可提升30～70%产能时效与质量良率。②产品不会因时间缩短而有残余应力及翘曲等问题发生，有效减少翘曲变形、开裂飞边、气泡砂眼等产品缺陷，显著提升最终产品的质量与成品率；③模具使用寿命得到有效延长，产品单位成本降低。

四、结论

总体说来，国内在3D打印模具制造方面的应用与国外相比存在较大差距。但3D打印技术给模具制造带来的改变是不容忽视的，3D打印技术引入到模具设计和制造中来将会是一种趋势。国内目前进行3D打印模具应用研究的企业并不多，未来3D打印技术的产业化、市场化，模具制造是一个很好的发展方向，尤其对于广大模具制造企业来说。从3D打印的应用来看，航空航天、军工领域技术要求较高，医疗领域准入条件高、个性化定制需求有限，而在模具行业，结合众多模具企业和模具专业镇的基础优势，3D打印的推广和应用更具有优势。