探讨模具制造中3D打印技术的关键技术

刘珌卿

（江西新能源科技职业学院，江西 新余338012）

0 引言

工业制造和模具是高度依存的，模具行业的发展水平可以折射出一个国家的制造业水平，而对制造业的发展来说，3D打印技术产生之前，各个地区的加工制造业都是运用模具作为生产主力。过去的几十年内，传统的模具为加工制造业做出了巨大的贡献，因此，很多人将传统模具称为“工业之母”。3D打印技术是一种以三维模型文件为基础，应用粉状、丝状等材料通过“分层制造，逐层叠加”的方式来构造三维物体的技术。

1 3 D打印技术的发展前景

1.1 传统模具加工制造与3D打印技术的比较

3D打印技术和传统模具加工制造技术都存在独特的优势和不足，该技术发展的方向是让两者相互融合。对于同一个产品，过去的生产加工方法是先做模具，然后用模具去生产产品；而现在新出现的3D打印技术，是直接对产品进行三维建模，直接堆砌出产品。不过，对于批量大的产品，还是模具生产加工的效率要高。3D打印产品，只能够一个一个的去加工出产品且试制的周期短，很适合新产品的开发。对于定型后的大批量的生产，还是采用过去成熟的模具工艺路线，这样生产的成本低，效率高，一致性好，还具有互换性。

1.2 3D打印技术解决了复杂型腔的模具制造难题

像遇到汽车空调外壳这类零件的生产时，因为它有着十分复杂的外形结构，若要进行生产，就需要解决复杂型腔和形芯的制造。还有很多形状复杂的汽车零部件，都对制造工艺提出了巨大的挑战，如果仅仅依靠镶嵌、拼接体形等工艺来制造形状复杂的零件，一方面无法保障生产的高精度，另一方面也无法保证生产效率。如果有了3D打印技术的协助，则可以利用激光烧结三维打印来实现对汽车模具复杂型腔的控制。

1.3 3D打印技术可以降低模具生产成本

在人们需求多样化的时代，传统模具生产制造技术受到冲击。有些汽车零部件需要较长的时间才能做好，且这一过程日趋复杂化。而3D打印技术不受机械设备和生产模具的限制，利用三维建模加修改来成型零件，有效降低了零件生产成本。

1.4 3D打印技术推动模具制造业的发展

模具制造业作为社会经济发展的一个重要产业，在国家制造业中发挥着重要作用，而3D打印技术在国际产业竞争中发挥着突出的作用，必须加快推动3D打印技术产业的发展，可以推动企业结合3D打印技术优势与特征，有效地融合一些新材料、新技术与新工艺，发挥3D打印技术产业作用。

2 3D打印技术的关键技术

2.1 选择性激光烧结工程技术

选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。该项技术是利用红外激光束对不同金属、陶瓷、橡胶等粉末状材料成型的。该技术中的可选择性指的是技术人员可以通过三维空间软件重新构建所需要的模型空内置红外线激光，来完成铺平、烧结操作。在烧结过程中产生的未熔颗粒规模较大，因此，该技术不能应用在高精度、高密度的模具制造中。

2.2 电子束选区熔化工程技术

3D打印技术中，电子其可以直接制作成型的电子元件受到高度关注，经过相应的调查研究数据显示，在实际的电子束选区熔化工艺的操作流程中，电子束可以快速扫描金属设备，扫描的整体区域与扫描速度之间也存在明显联系，这样就可以确保金属零件的整体质量。结合相应的拉伸试验发现，该项技术在整体操作过程中，金属零件中的铝原件会造成较大的损失，但是整体的硬度和熔体面积没有受到太大的影响，金属零件的质量整体优于传统技术手段。

2.3 激光净成型工程技术

净成型技术是改造了传统的毛坯成型技术。指零件成型后，由粗糙成型变为优质、高效，仅需少量加工或不再加工，就可成型技术。它利用多学科新技术成果在新材料、新能源、精密模具技术和模拟技术等低成本的成型技术。

通过烧结和激光熔盖与传统技术两相结合，来实现3D打印技术融合多种金属材料的操作，按照合金粉末差异实现相同功率来进行融化，根据预定的管道分层进行沉淀，最终得到性能较好的零件。

2.4 直接金属激光成型工程技术

先进制造的概念主要基于不断地创新，包括现有激光技术和核心的金属粉末原材料的不断测试成功的应用，金属成型目前主流的材料有铝合金、磨具钢、不锈钢等。

3D打印加工出直接金属激光模具更适合应用在致密度要求较高的模具中，且不需对材料进行预处理。如激光扫描率增加或者激光功率减少，导致金属粉末在熔化时出现球化效应，要避免上述情况的发生，那么就需要技术人员把握好各种金属粉末的熔点。

3 3 D打印技术教育发展对策

3.1 拟建立“技能型”人才培养目标

3D打印工学一体的人才培养，服务于企业用人需要，满足学生职业生涯发展需求。作为“技能型”人才培养的职业院校，在实际生产岗位上进行“真刀真枪”的训练，可以明显改善教学质量，提高学生操作技能，有利于全面提升学生的知识、技能和教学质量。

3.2 拟建立高水平的教师团队

3D打印技术需要理论教师，同时又要求会操作的教师。职业院校要着眼培养企业需要的人才同时更要培养企业急需的优秀人才。政府有关部门要加大力度和资金支持，注重加强理论教师的培训和实际操作培训，鼓励和激发教师团队做好“教书匠”。始终坚持教学创新，树立终身学习理念，把教师团队建设推上新的台阶，为拓展职业发展，提升教学技能搭建平台。

3.3 拟建设特色的3D打印技术的课程

（1）3D打印结合模具制造专业有关课程。基础课程：计算机应用、工程制图、高等数学、材料加工与成型工艺、机械原理与零件、材料力学概论等。

核心课程：模具CAD（PRO/E）、模具CAD（UG）模具技术经济分析、3D打印材料应用、逆向工程技术、三维建模与模具设计、快速成型技术等。

3D打印为模具制造带来了生产周期短、生产成本低，改进模具设计为终端产品增加更多的功能性。

（2）3D打印技术结合新能源汽车专业课程。基础课程：工程制图、电工学、工程力学、机械零件与原理、机械制造技术基础等。

核心课程：汽车构造、传感技术与测试、CAD/CAE/CAM、发动机原理、3D打印汽车制造应用、逆向工程技术等。

3D打印材料学：了解3D打印材料的种类、性能、成型特点等。3D打印汽车设计，模具加工及后置处理，将汽车造型制作成三维模型。

（3）3D打印技术结合工业设计专业课程。为了满足人们对美好生活的需求，力求在教学上进行创新，课程设计上与时俱进。

基础课程：机械制图、工程力学概论、人机工程学概论、工业设计概论、设计色彩概论、设计心理学概论、环境技术概论、工业美术概论、素描、造型设计基础等。

核心课程：产品设计概论、企业形象设计、视觉传达设计、3D打印技术工业设计应用、逆向工程技术、三维建模与产品设计、雕塑基础、产品语意传达概论、产品摄影概论等。

3D打印技术的应用与创新改变了原有的工业设计方式，推动工业产品设计理念的创新与发展具有重要作用。

4 结语

3D打印技术有益于学校现有传统专业的教学，有益于学校培养高技能创新型“智造”人才，让学生设计更具个性化的产品，满足社会和企业对3D打印人才的需求。