浅谈金属SLM3D打印模具零件的教学案例选择

金玉静 茅宇楠 储瑞鹏 陈继澎 张志鹏 张钰莹

1引言

近年来，随着3D打印技术的快速发展，传统的生产方式和生活方式也正快速改变着。3D打印技术作为新兴制造技术的典型代表，已经从早期在航空航天领域大量应用的金属3D打印技术，开始转向了工业、汽车、医疗、模具等市场。

在电子、汽车、电机、仪器、电器、仪表、家电和通信等产品中， 60%-80%的零部件都依靠模具成型，可见模具市场之大。用模具生产零件所表现出来的高精度、高复杂度、高一致性、和低消耗是其他加工制造方法所不能比拟的。模具制造专业通常需要学习塑料模具设计、冲压模具设计、模具软件系统以及模具制造工艺。以塑料模具设计中的注塑模具为例，采用传统制造工艺，在模具开发初期，设计以及开模成本较高，到真正使用所需要的周期较长。但如果采用金属选区激光熔化3D打印技术（SLM，selective laser melting），则可以解放设计者的设计思路，缩短开发周期，降低前期成本。除此以外，优化过的随形冷却水路可以明显提高注塑产品的冷却均匀程度，减少塑料产品的脱模时间，并提高产品的合格率。因此，尽快在模具专业教学过程中加入3D打印模具零件的教学是非常必要的。本文将浅谈几个适合模具专业进行3D打印模具零件教学的企业真实案例。

2案例分析

如图1所示，为注塑模具的随形冷却水路优化设计。从图中可以看出，随形冷却水路的设计，解决了模具行业中深腔狭小区域的冷却问题，实现了注塑件整体的均匀冷却，减小注塑件变形的同时还缩短了成型周期。超百个零件的同时打印，比传统加工方式更具成本和制造周期优势。除此以外，该模具使用了模具钢，替代了传统加工中采用昂贵的铍铜来保障冷却效果。模具钢的高硬度，耐磨性及寿命也得到明显提高。

图2所示为波轮洗衣机模具，基于金属激光3D打印技术，开展了一体化设计，融合了贴合壁面的随形冷却水路设计。这种分布均衡的水路设计，保证了产品均匀收缩，使得冷却的一致性更好，提高了产品的质量。而采用3D打印的一体化的打印加工方式，巧妙回避了传统水路需要考虑的零件拆分以及密封等问题，提高了模具寿命和可靠性，从而降低成本。另外，还可以从图中看出，该模具由于不是连续体，还需要进行CNC加工，而采用3D打印技术的一体化打印，减少了材料消耗和机加工时間，也明显缩短模具制造的周期。

上述两个例子均适合用于模具专业3D打印零件的教学案例。首先，两种零件均采用了随行冷却水路设计，使学生可以直接通过对比理解3D打印技术的工艺原理与应用优势，为后期学生在水路方面的设计提供了思路。其次，两种零件的尺寸均不大，可以同时打印的数量较多，即使3D打印设备不足，也可以完成教学任务。再次，两种零件均使用同种模具钢粉末，避免了更换打印用金属粉末造成的设备及配件清理需要的大量前期准备工作和耗材的损失。最后，这两个案例均源于企业的实际应用，有助于学生了解目前3D打印技术在模具行业的应用情况，以及未来的发展趋势。同时，展示了我国模具制造业向高端发展的趋势和力量，提升学生的民族自豪感和学习该门课程的兴趣与动力。

3.结束语

随着3D打印技术的日益成熟以及其成本的不断降低，3D打印技术将在注塑模具冷却系统的随形水路制造领域，以及一体化打印制造领域得到更加广泛的应用。因此，为了响应《中国制造2025》中对未来制造业具有绿色化、智能化以及高端化的要求，及时在模具专业中加入3D打印的相关教学是非常必要的，选择将企业真实应用的案例进行教学案例转化，有助于学生了解模具行业与3D打印技术结合后的最新发展趋势，同时，也能培养出兼具模具背景与3D打印技术的新型技术技能复合人才，满足3D打印设备制造商以及3D打印产品应用企业对相关人才的需求，促进3D打印技术在模具行业的持续应用与技术推广。