零部件模具设计制造业中的3D打印技术研究

谭振　赵中梁　黄振浩

摘要：现如今，在机械零部件模具设计制造行业，3D打印技术的快速发展正在逐步改变着金属功能零部件的制造过程，应用3D打印技术可以极大程度的提高工作效率，节省成本的同时也极大的解放了劳动力和各项成本，因此，本文将浅谈3D打印技术在零部件模具制造中的应用，以期促进零部件制造行业向更好地方向发展。

关键词：3D打印技术;零部件;模具制造;应用

中国分类号：TP391 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）06-0144-02

随着我国经济发展的日益成熟与科技发展对材料的不断需求，无论是在生产技术还是在工业发展方面，从工厂中的钢铁铸造到汽车发动机的零部件铸造都离不开模具的制造。模具作为一种工艺装备，利用快速成形技术直接制造金属功能零部件模具将会成为主要发展方向。而随着工业产品不断的更新换代及3D打印技术的日益成熟，我国在零部件模具制造方面如何在较短的时间内制造出高水平的模具，如何有效地提高模具的加工制造效率将成为研究热点。

1 3D打印技术相关概述

3D打印技术属于增材制造领域，主要是依据计算机上所生成的三维模型为基础，在软件的作用下将三维的模型离散为若干层平面切片，接着在数控成型系统的作用下将一些金属、陶瓷等材料以粉末状的形式进行逐层堆积粘结，最终形成所要生产产品的叠加成型[1]。3D打印技术作为21世纪的一种革命性技术，不仅能缩短研发、生产周期，缩减各项成本，还以其具有可自由成型和材料利用率高等特点，有效兼顾了金属零部件产品的制造成本和使用价值，目前已经逐渐应用于国民经济发展的许多领域。3D打印技术实现模具快速制造的方式包括直接制模法和间接制模法，直接制模法可以直接制造模具零部件，是3D打印技术在模具行业应用的优先发展方向[2]。在模具行业，3D打印技术在零部件模具制造中不仅能够有效解决传统方法所遇到的复杂零部件难以加工等技术难题，还能快速响应制造需求。

零部件模具在各种工业制造的设计、研发、制造等方面扮演着十分重要的角色。3D打印技术的作用逐渐凸显，促进了零部件模具制造行业的健康发展。将3D打印技术应用于零部件模具领域，还能利用其超强的复杂构建能力实现传统方式无法实现的技术突破[3]。3D打印是一类制造技术的总称，该项技术的工作原理主要包括两个方面，与传统制造业所采用的“减材料制造技术”相反，它使用的是“加材料制造技术”。就目前来说3D打印技术主要包括SLA（光固化法）、FDM（熔融沉积法）、SLS（立体光刻法）、3DP（喷墨沉积法）、LOM（分层实体制造法）等[4]。这些技术首先应用了三维成形原理;其次，这些技术还应用了熔融固化技术，工作人員首先上传三维实体模型的所有数据，设计打印路线，应用计算机技术，在需要打印的平面上剖面喷射操作，等待凝固，然后冷却溶解后的材料，使其形成三维实体剖面薄片。最后，保证打印效果，调整操作台高度，完善打印细节。

在机械零部件模具设计制造行业，3D打印与传统的工艺在实现产品成型的过程具有本质区别，在以往的生产设计中，需传统的模具、夹具和机床，产生大量废料，而3D打印技术仅利用三维设计数据在一台设备上，可快速而精确地制造出各种复杂的零件，其设计制造周期被大大缩短，且产生极少的废料，从而缩短了整个机械零部件开发的周期，有效缩短了加工周期，成为创新设计制造的一种方法。3D打印技术易于实现单件小批量复杂形状产品的快速制造，由于考虑使用新模具会产生大量的资金成本消耗，在非批量化生产及定制化生产中具有明显的成本和效率优势。很多机械设计制造企业或许会旋转推迟模具的开发或者放弃模具的更新，而由于3D打印技术的出现，它能够使模具设计周期跟得上产品设计周期的步伐。

根据使用材料的不同3D打印技术可以分成使用金属材料的3D打印和使用非金属材料的3D打印技术，这些材料的状态也有不同，其中包括液态、粉末状以及固态片状的区别。3D打印技术根据制造过程中热源的不同，可分为包括电子束、激光束、等离子以及离子束等高能束建造方式或者是一般热源的塑造方式包括光固化、喷涂粘结、熔融沉积等方式。在这些3D打印的建造方法中有很多方法都非常的流行。

2 3D打印技术在零件加工中的优势

2.1“逐层叠加”的原则

3D打印技术其在进行零件加工时采用的是“逐层叠加”的原则，3D技术的使用能够在很大程度上减少材料的浪费，从而降低零件生产的成本，提高材料的利用效率，缩短加工周期。传统的模具制造过程中，所需的人力、物力和财力都非常多，生产周期较长。在产品量少、复杂和个性化较强时，使用3D打印技术发挥其创新活动蓬勃发展，将金属零部件的传统成形方式与3D打印直接制造方式结合起来，将增材工艺与数字化制造技术结合起来，推出商业化设备，进一步深化基础理论体系，快速开发，扩大3D打印技术在工业领域的应用空间。

零部件模型制造是工业体系中占比最大、应用最为广泛的产品类型，传统制造模式对模具进行3D软件设计，之后修正模型，分析模型，确定分型线和进料点;最后让客户确认设计好的模具再开始生成图纸，设计加工流程和工艺，这样的过程繁琐而复杂，只有使用大规模生产线才可以降低生产成本。如果真正将3D打印发展成为一种可以工业化应用的技术门类，充分发挥其成自由形度高、用材范围广、制件性能优异及制造环节少的优势，很好地契合金属零部件产品的未来发展趋势，应用多模式的组合方式，就可以有效兼顾金属零部件产品的制造成本和使用价值。组合制造方式可以在一定程度上降低3D打印的成本区间，克服3D打印技术上包括难成形材料的传统制造局限，为零部件模型的增材制造开辟了一条新的途径[6]。

2.2 力学性能优势突出

直接制造金属零部件的3D打印技术，除了用于直接制造注射模，还可用于直接制造压铸、挤出、热冲压等其他零部件模具，充分发挥了金属熔体在远离平衡态凝固过程中晶粒细化、溶质偏析倾向小的作用，通过分析可知SLM工艺、SLS工艺和DMLS工艺都可以用来制造零部件模具，可获得细密均匀的基体组织，并使金属零部件呈现出良好的力学性能。此外，3D打印技术可以实现零件整体加工，现代结构设计理念中的点阵结构、拓扑优化技术可以通过3D打印的自由成形能力得到充分发挥，整个制造过程与传统制造相比较为简短，可以极大提高金属制件的轻量化水平。3D打印设备操作简便且自动化程度高，这些优势的协同作用为其在可靠性零部件模型制造上获得了大量应用。

2.3 应用领域广

此外，随着网络技术的不断升级，模具设计人员可以通过互联网将数字化信息直接传至3D打印设备直接制造金属零部件，而随着金属粉材牌号、规格的不断扩展和设备核心器件的价格持续降低，3D打印技术的应用成本也不断降低。未来，不仅可以进行远程零部件模具制造民用高端装备产品，而且可实现多人协同设计制造，提高模具设计效率，还将会为选择性激光熔化技术、激光立体成形技术提供新的应用空间。

3 3D打印现存问题及应对策略

3.1 3D打印现存的技术问题

3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、丝化、粉末化，在进行加工时经常会出现一些悬空区，打印后又能重新结合起来。对金属粉末而言，材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能的要求会更高，这样如果加工工艺参数设置不合理就有可能导致模型产生斜面，以往的机械制造工作存在设计理念落后的弊端，3D打印技术开发的难点就是材料研制难度大、评价周期长，也是核心问题所在。金属粉末原料如钛合金和高温合金，高规格的原料基本只能依靠进口解决无法满足人们对产品质量、外观等方面的高要求且价格高、周期长，一定程度上限制了企业的发展步伐。这就需转变设计理念，减少台阶现象的出现，全面提升加工产品的稳定性与集成度，适当的调整分层厚度，帮助企业用最小成本创造更大的效益。

举例来说，零部件模型对产品质量的要求较高，在完成零件加工工艺方向之后，如果使用传统加工方式，不仅难度大，进行打印时还需要对所设计模型的结构进行优化，经济效益也难以保障。减少打印支撑是有效地解决措施，3D打印技术只需几台设备与几个零部件便能完成所有加工任务，通过减少设计结构中的悬臂结构，零部件的质量与稳定性较之传统方法也有大幅度提升，這样可以在很大程度上缩短打印时间，能够提高3D打印技术，对所加工零件的尺寸进行合理设计，缩短打印时间，同时推动机械制造行业的快速发展。

3.2 3D打印行业标准欠缺

3D打印欠缺行业标准，3D打印零部件模型由于和传统材料不同，材料的内部结构和力学性能也不同，虽然3D打印技术可以制造形状和结构复杂的模具零件，但现行标准并不适用于这类材料，而且在打印过程中产生的台阶效应，将影响模具零件的制造精度和表面质量，因此，需要进行研究并制定相应的标准。

4 结语

综上所述，相对于传统的金属零部件成形技术，3D打印技术在机械制造领域中占有举足轻重的地位，由于传统制造方法中高昂的制造成本使普通民用领域望而却步，所以需要对3D打印技术予以重视，加大研究力度。而且3D打印技术本身也是一个广泛的技术门类，实现技术升级，可以让相对成熟的分项技术通过改型和转化方式向现有工业体系融合，将其与实际社会生产工作相结合，持续开发各种新型的高性价比的3D打印技术模式，满足现代社会对产品精度、强度、刚度及美观度等多方面的高要求。未来，通过科学技术领域学者和工程应用领域从业者的深入协作，3D打印技术能还能转变传统设计理念，全面提高生产质量与效率。在新工业体系下形成多层面、多维度的应用格局，因此，研究该项技术具有十分重要的现实价值与参考价值。

参考文献

[1]孙振军.3D打印技术在零件制造中精度及质量控制方法研究[J].山东工业技术，2019 （05）：65.

[2]田国强，鲁中良，李涤尘.基于增材制造技术的复杂结构模具数字化制造方法[J]，航空制造技术，2014，453 （9）：3841.

[3]EVANSB. Practical 3D Printers： the Scienceand Art of 3D Printing， 2012.

[4]张佳琪，王敏杰，刘建业，牛留辉，王金海，李花霞.3D打印直接制造金属模具零件的研究进展[J]，模具制造，2019，19 （02）：72-79.

[5]王建，机械制造领域中3D打印技术的应用[J].南方农机，2018，49 （16）：42.

[6]鲍飞，陈善忠，韩群，等.金属零部件制造的3D打印技术现状及发展趋势[J].新材料产业，2018，294 （05）：55-57.