浅析3D打印技术在模具设计制造领域的应用

袁玉红 张迅 郑周青 卢开业 杨仕杰

[摘           要]  介绍了3D打印技术的工作原理、3D打印工艺的分类。阐述了3D打印快速模具制造技术的先进性，介绍了3D打印快速制模技术工程应用及我国的一些研究状况。推出一种把3D打印技术和传统的模具设计制造专业方向课程结合起来的创新性综合实验来激发学生的学习积极性，培养学生工程实践能力和创新能力。

[关    键   词]  3D打印技术;模具设计制造技术;融合

[中图分类号]   TP391.7                        [文献标志码]  A                [文章编号]  2096-0603（2020）09-0166-02

一、引言

“3D打印技術”是一种增材制造技术，不是用传统的刀具、夹具和机床进行切削加工制造。3D打印系统根据零件图纸或实物三坐标扫描数据建立CAD三维模型数据，运用“离散/堆积”原理把三维模型进行分层处理，通过打印成型设备把液体、粉末、薄片、丝状等材料以片层累加的方式制成实物或模型的技术[1]。

与传统铸、锻、焊、机械加工制造方式相比，3D打印技术以开发周期短、节省材料、制造复杂形状在制造业引起了一场工业革命。3D打印技术满足了当前个性化、瞬息万变的市场需求，已经被广泛应用到机械、电子、汽车、航空、航天等领域。目前应用比较广泛的3D打印成型工艺有：选择性激光烧结（SLS）、立体光固化成型（SLA）、直接金属激光烧结（DMLS）、分层物体制造（LOM）、熔融沉积制造 （FDM）、三维印刷（3DP）、多相喷射沉积 （MJD）等。打印材料多样化，有橡胶、金属、陶瓷、玻璃、树脂、石蜡、石膏等。

二、3D打印技术与模具设计制造技术的融合

在现代工业中，模具是工业生产的基础装备。在机械、电子、汽车、航空航天等领域，60%～90%的需模具加工。模具设计水平及速度、制造力量及速度、模具质量都会影响新产品的开发。

传统的模具主要是采用机械切削加工方式制造，占用的机械装备多、制造周期长、浪费材料。对越来越快速多变的个性化市场来说，传统制造因开发速度慢而缺乏市场竞争力。传统制造还有另一种的局限性——不能加工形状复杂的模具型腔。把3D打印和模具制造结合起来的快速制模技术因为增材制造、快速制造、复杂结构制造、桌面设备占地面积小、生产成本低特别适合模具生产，所以3D打印快速模具技术在模具制造领域得到了广泛的研究和应用。如今将3D打印用来直接打印模具手板、打印模具，间接翻制注塑模、压铸模、冲压模、铸造模等模具。

三、3D打印快速制模技术工程应用

（一）直接制作模具手板

手板是在批量生产前，根据产品外观图纸或结构图纸先做出一个或几个功能样板，用来检查产品外观、结构的合理性，找出设计产品的弊端。手板可以用来替代真正模具做功能实验，也可以利用模具手板作技术交流、为生产作准备工作。目前可以运用3D打印技术制作包括树脂、塑料、纸、石蜡、陶瓷等材料的原型手板。不同3D打印工艺制造出来的手板精度、强度和表面质量有区别，其中用光敏树脂打印（SLA）手板是目前最流行的一种模式，其表面质量较好。

（二）直接制造模具

应用较多的直接制造模具3D打印工艺有：选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光烧结（DMLS）等。快速模具分为软质模具和硬质模具。

软质模具强度较低，易于破损，只能加工出几件少量的产品便不能重复使用。根据模具材料不同，软质模具有砂模、塑料模、树脂模、蜡模等。目前能够成功利用3D直接打印铸造用蜡模，打印砂模中的砂芯或型壳等非金属软质模具[2]。也可以采用3D打印技术制造具有内置复杂随形冷却水道的树脂注塑模，用来浇注小批量注塑件[3—4];

硬质模具一般是指强度高、力学性能好、可以反复使用的金属型模具。目前正在研究和使用的快速制模方法有：（1）采用基于LOM工艺方法，直接采用金属片材，通过激光切割、焊接或黏结金属片材制造金属模具;（2）采用金属粉末堆积成形SLS工艺、3D-P工艺和激光加工净成形，用激光烧结金属粉末或利用黏接剂黏结金属粉末，层层堆积成形制造金属模具;（3）用FDM金属丝材熔融堆积制造金属模具[5]。

用金属直接打印模具目前还存在许多问题，如能打印的金属模具材料种类少，金属粉末品质要求高，价格昂贵，打印模具制造成本高;打印模具综合力学性能、精度、表面粗糙度都还需要进一步提高;打印机规模小，只能打印制造较小体积的模具。

（三）间接制造模具

间接制造模具是利用3D打印技术结合传统模具技术来翻制模具产品。用3D打印非金属型（如纸、ABS、蜡、尼龙、树脂、陶瓷等）模具原型，根据不同的应用要求，使用不同复杂程度和成形精度的金属喷涂成形、精密铸造成形、电铸成形和粉末烧结成形等工艺翻制模具。间接制造模具一方面可以较好地控制模具的精度、表面质量、机械性能与使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。因此，目前工业界多数采用间接制造模具工艺。

在2002年，单忠德院士在清华大学研究用3D打印结合金属喷涂成形翻制金属模具工艺，其中模具原型或软质模具可以采用LOM、SL、FDM等打印。该工艺被应用广泛，可以制造注塑模、拉延模、消失模、冲压模等多种金属模具[1]。

西安交通大学、华中科技大学、浙江省机电设计研究院、中北大学、北京隆源公司等单位在3D打印快速精密熔模铸造工艺做了大量的研究工作。采用SLA、SLS打印精密熔模铸造中的零件蜡模原型，然后在原型的外表面挂浆，得到一定厚度和粒度的壳层，紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉蜡模原型，得到中空的陶瓷、石膏、金属树脂型壳，往型腔中浇注液态金属即可获得所需的零件。这种工艺解决了单件小批量、复杂结构零件的熔模铸造因设计和制造蜡模模具成本高、时间长的缺点[6]。目前，3D打印熔模精密铸造快速制模技术得到大量应用，但还存在需要进一步研究和解决的问题，如原型零件强度不高、易变形，尺寸精度较低，表面质量较差，壳易翘曲变形，胀裂等[7]。

四、3D打印技术在模具设计及制造系列课程教学中的应用

3D打印技术在机械类材料成型及控制工程专业的模具设计与制造方向的专业方向系列课程教学中也有极其重要的作用[8—9]。目前，模具设计与制造方向专业方向系列传统课程一般有：鍛造工艺及模具设计、冲压工艺及模具设计、注塑工艺及模具设计、铸造工艺及工装设计等。这些课程结束后要求学生综合运用基本理论知识，去完成锻件、冲压件、注塑件、铸件的工艺设计及相应的模具结构设计。这些专业方向课程结束后，怎么来检验学生的综合设计能力，一直以来没有很好的客观判定方法。

近年来，为了增加学生快速模具制造方向知识，很多学校开设3D打印快速成型与快速制模课程。但很多老师只是让学生打印一些工艺品的模型，3D打印与模具设计制造的系列课程几乎没有相关，学生对快速制模技术的学习理解也不深刻。

为了解决上述存在的教学问题，把相关课程知识进行整合，以锻炼学生的综合设计能力，需要采用一种任务驱动式的教学，让学生在问题中进行探究如何应用专业知识去完成一个设计任务。所以在为期3周的模具设计与制造技术综合实验课程中采用探究式教学方法，把传统的专业课程与3D打印技术相结合，来驱使学生去完成设计任务。

首先，按项目把学生进行5人分组，分组完成某零件的锻造、铸造、冲压、注塑零件的工艺及模具设计;然后，用3D打印机制作模具模型。教师可以根据每组的作品、学生操作3D打印机的熟练程度、计算机建模的质量和速度、工艺方案的优化程度、说明书的撰写质量来客观给出综合成绩。设计任务及顺序如下：

零件的FDM快速原型制造→铸件、锻件、注塑件、冲压件设计、建模及FDM原型制造→锻造、铸造、注塑、冲压工艺设计及CAE成形工艺优化分析

模具结构设计→模具结构三维建模→FDM打印模具零件→装配模具，检验模具结构的合理性→撰写说明书

下图为学生用FDM打印的模具零件：压板、下模座。通过这个开放性的综合实验，学生最终打印出模具的零件并装配出模具。在设计制作的全过程中，学生学会了怎样利用专业知识和技能去解决工程问题，提升了他们的工程实践能力和创新能力。

把3D打印技术和传统的专业课程结合起来的综合实验，给材料成型及控制工程模具设计和制造方向的教学带来了活力。不但解决了传统课程的死板枯燥，激发学生的学习兴趣，更重要的是培养了学生的工程实践能力和创新能力，让他们更能适应现代模具制造业的需要。

五、结语

我国西安交通大学、华中科技大学、清华大学等高校在20世纪90年代开始研究快速成型快速模具制造技术。现在以这些大学为龙头、以北京隆源公司为代表的很多公司和企业可以运用3D技术直接或间接制造各类模具、快速打印金属、非金属零件。把快速模具制造技术应用到机械、电子、汽车、航空航天、口腔医学、教育等领域，推动我国数字化制造技术的研究和应用。

高校材料成型及控制工程专业把3D打印技术和模具设计制造专业传统课程有机地结合起来，开发出创新性实验课程，培养学生模具设计制造方面的工程实践能力和创新能力，为国家培养更多模具设计制造方向的先进人才。

参考文献：

[1]单忠德.基于快速原型的金属模具制造工艺研究[D].北京：清华大学，2002.

[2]刘珌卿.模具制造中3D打印技术的应用研究[J].现代工业经济和信息化，2019（8）.

[3]刘锦辉，史玉升.具有内置随形冷却水道的注塑模具快速制造[J].粉末冶金技术，2008，26（5）：365-368.

[4]王金宏.基于3D打印技术的随形冷却塑料模具制造技术[J].模具制造，2018（1）：71-476.

[5]黄秋实，李良.国外金属零部件增材制造技术发展概述[J].国防制造技术，2008（5）：26-29.

[6]邵中魁，姜耀林.基于3D打印的离心泵叶轮压蜡模具快速制造工艺研究[J].机电工程，2016，33（4）：434-437.

[7]姜耀林，邵中魁.3D打印在快速熔模精密铸造技术中的应用[J].机电工程，2017，34（1）：48-51.

[8]杨青山，戴庆伟.3D打印技术在材控专业实践教学中的应用[J].中国冶金教育，2017（1）：76-77.

[9]王小新.3D打印在塑料制品及模具设计课程教学中的应用探索[J].模具工业，2016，42（11）：68-71.

◎编辑 王海文