探讨模具制造中3D打印技术的关键技术

李文扬

摘要：进入21世纪之后，科学技术高速发展，促使3D建模软件得到大范围普及，3D打印技术也因此得到了应用和发展。3D打印技术的问世是一件改变传统制造业模式的事情，自问世以来，3D打印技术已经成为行业发展最为前端的产品，并且逐渐在各行各业进行了广泛的渗透模具是工业生产中重要的技术基础，模具行业是一个跨度非常大的行业，与制造业的各个领域都有关联。因此，本文主要探讨在模具制造过程中合理有效的使用3D打印技术，能有效提升模具设计和制造的整体效率，推动模具向更复杂、更经济、更快速的方向发展。

关键词：模具制造;3D打印;关键技术

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打印技术的应用可以制造出结构较为复杂的零件，实现传统工艺形式无法达到的打印效果，简化了生产流程，加快了制造速度，是未来所重点发展的技术类型。

1 3D打印技术概述

3D打印技术也被称作是增材制造，主要是在数字化技术支持下来对规则或者不规则三维化、立体化固体物品处理加工所展现的能力。通过高效率的处理加工会让物体快速成型。从应用本质上来看，3D打印技术是依托计算机技术所开发设计出的一种辅助性软件，在这个辅助性软件的作用下会对特定加工模型实施数字化切片处理，由此将实体模型加工改变为数字模型，为相关人员的工作开展提供支持。

2 3D打印技术在模具制造中的应用优势

3D打印技术是以三维数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式构造物体的技术，又称增材制造。近年来，随着3D打印技术的推广与应用，人们逐渐发现，它可以弥补传统制造方法的短板，在模具制造领域中具有广阔的应用前景。而在模具制造中合理使用3D打印技术，能够有效弥补传统模具加工技术中存在的不足，它方便快捷、应用广泛，整个过程不需要使用任何刀具或其他模具，可直接在计算机上设计产品、规划生产流程、优化工艺、完善生产问题，能有效提升计算精确度，缩短工作时间，提高工作效率。

3模具制造中3D打印技术的关键技术

3.1熔融材料沉积与热成形打印技术

分析熔融材料沉积与热成形打印技术主要是应用于各种高分子打印材料的快速打印，其技术可以充分利用打印材料的化学热熔性、热学可塑性与材料黏结性三个特征，一层层打印进行快速打印材料模型的熔融堆积与热成形。这种技术及其优点是因为使其材料多样、强度高与制造成本低，但其在构件产品设计制造工艺精度高等方面可能达到得不到实际要求，不能广泛用于复杂的钢结构构件产品的设计制作。

3.3立体光固化成型工艺技术

立体光固化成型工艺技术主要是将特定波长、强度的紫外线或激光，聚焦照射到一种液态立体光敏感性树脂成型材料的晶体表面，使其由光向点从光到点向线、由点从线到点表面从而发生光聚合反应的成型技术，该成型技术被称为最常见的3D型光打印成型技术。该系列打印材料技术同时具有打印材料综合利用率高、强度高与打印精度高的三大特征，可以广泛应用于大到精细机械零件的塑料加工与印刷打印中。

4 3D打印技术在模具制造中的应用方式

快速模具是将3D打印技术应用于模具制造技术中形成的产物，按制模材料可分为软质模具和硬质模具，按制模工艺可分为直接制造模具和间接制造模具。下面介绍几种典型的应用方式：

4.1直接制造软质模具

直接制造软质模具是以硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金和覆膜砂为原料，通过3D打印技术直接成形的模具，主要技术由SLS（选择性激光烧结）和SLA（光固化成型）两种。SLS采用红外激光器作能源，逐层将粉末材料有选择性地烧结成型，具有制造工艺简单、材料利用率高、价格便宜、成型速度快等特点，可直接完成砂模制造。其打印制件的精度和表面粗糙度都可以达到用常规模具制造方式制造的砂模，但其结构疏松、多孔、有内应力、表面粗糙，而且容易产生有毒气体和粉尘，造成环境污染。SLA是基于液态光敏树脂光聚合原理工作的，是目前研究最多、技术上最为成熟的方法。

4.2间接制造软质模具

间接制造软质模具的原材料与直接制造的方式相同，不同之处是需要先用3D打印技术制造模芯，再以模芯为母模复制加工模具，主要有金属喷涂和硅橡胶浇铸两种方式。金属喷涂是在3D打印原型的表面喷涂熔点较低的合金或金属，形成金属薄壳后再填充复合材料制成模具，这样的方式制造速度快，常用于标准件的模型加工制造中;硅橡膠浇铸是在模型表面涂刷脱模剂后，将其固定放置在模框内，然后向模框内浇铸硅橡胶悬浮液，等其完全固化后，沿分割线将其剖开，把模型取出后就可以得到一套硅橡胶模具，但这样的制作方式经常会出现模具固化不完全，生产零件时出现溢料等问题。

4.3直接制造硬质模具

利用3D打印技术直接生产模具和金属零件，是近几年的主要研究课题。SLM是通过高功率的激光直接将金属粉末熔化，经冷却凝固而成型的一种技术，整个过程不需要黏结剂。常用的金属粉末有铁粉和铜粉，铜粉一般用于强度要求较高的零件，铁粉常用于零件精密程度较高的模具制造中，模具的表面光洁度直接决定最终注塑零件的外观。因此，使用3D打印技术制作模具时，打印过程必须非常稳定，才能生产出高密度零件，进而保证后续加工中实现完美的表面光洁度。

结束语

随着3D打印技术的发展，其应用领域越来越广泛。3D打印的高复原和高精度数字化功能在模具制造行业很受欢迎。但3D打印技术也存在打印材料单一、价格昂贵、打印效率有待提升、零件尺寸受限、打印成品表面不够光滑等缺点，目前打印工艺还在继续摸索中，仍需进一步优化成型工艺参数，增加打磨、抛光等后处理工艺，提升打印成品质量。

参考文献

[1]陈瑞兵.3D打印技术下塑料模具制造技术研究[J].中国新技术新产品，2020（3）：30-31.

[2]陈隆波.3D打印技术在模具行业中的应用现状[J].南方农机，2018（11）：15+21.