增材制造技术在模具行业的应用现状及展望*

罗志良，胡永珊，柳志林，张 斌，肖 莹，黎力超

(江西工业工程职业技术学院，江西 萍乡 337000)

0 引言

随着现代工业的不断发展，为满足人们日益增长的物质和精神需求，各种各样的产品层出不穷，这极大地促进了模具制造工业的发展，且产品也出现了快速研发设计迭代的时代特征，以满足现在人们对产品定制化的需求。而从节约开发成本、快速响应订单需求出发，模具设计制造行业正在寻求有别于传统模具设计制造的技术，本文旨在通过介绍增材制造技术、增材制造技术的优势、增材制造技术与模具设计制造的应用结合，进而提出增材制造在模具设计制造中的应用策略，为实现模具设计制造的可持续发展提供参考。

1 增材制造技术概述

常见的制造技术包括减材制造、等材制造和增材制造，减材制造和等材制造是传统的制造技术。减材制造是通过采用切削工具去除材料，得到产品；等材制造是使用模具控制液体或者固体材料制成所需结构的产品；增材制造技术相比于传统的制造技术，区别在于其制造工艺是基于“离散/堆叠成型”的思想，从零件的CAD实体模型入手，通过软件分层和离散化形成系统，将材料逐层堆叠，最后堆叠成实体，它广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗设备、模具制造等领域[1]。

增材制造是集计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、数字控制、激光精密伺服驱动、新材料等技术为一体的综合制造技术。常见的增材制造技术及其特点如表1所示[2]，根据使用材料的不同，采用不同的增材堆积方式，最终形成产品。

表1 常见的增材制造技术及其特点

2 增材制造在生产制造中的优势

增材制造技术采用了增材整体制造的方案，实现了设计即制造的想法，相比传统的制造技术，增材制造技术在产品功能、制造成本、生产效率等方面具有显著优势，主要体现在以下方面。

2.1 降低生产成本及缩短生产周期

对于企业来说，采用增材制造技术没有库存积累，降低了库存风险，可以减少生产成本。增材制造技术的准时化生产方法使得产品个性化，根据消费者的需求生产，既满足了消费者的需求，又减小了企业风险，减少了企业库存，实现了按需配送的新型交易模式，做到了零库存、低成本、快速交货。

2.2 产品多样化不需增加成本

在传统的制造技术中，一台机械设备只能生产有限种类的产品，并需要专业的技术人员进行维护，使得设备具有高度的专用性。然而采用增材制造技术，只要产品的三维数据和原材料是可用的，增材制造设备不仅可以打印各种尺寸、形状和类型的产品，而且也不需要技术人员进行额外的维护工作，从而降低了产品的制造成本。

2.3 零技术门槛

传统的制造模式专业性很强, 例如，汽车工程师需要经过专业培训才能进入生产线，明显的劳动分工导致了教育和培训的高成本。 增材制造技术突破了专业化的局限，员工只需要掌握增材制造的机械设备即可生产不同的产品。因此，增材制造技术实现了一种新型的零技术门槛制造模式 。

3 增材制造技术在模具制造中的运用

3.1 增材制造技术用于直接模具制造

直接模具制造是通过计算机辅助设计，对目标产品进行三维建模，利用增材制造技术直接制造模具本身，然后进行一些必要的后处理以获得传统模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。在轮胎模具的加工中，加工工序高度集中，为了实现轮胎更好的抓地力和稳定性，需要设计很多表面不规则的复杂结构，这对加工要求非常高。增材制造技术解决了这一问题，不仅释放了轮胎产品设计的便利性，而且可以快速地迭代产品，汽车轮胎制造商米其林已经开始使用增材制造技术生产高端轮胎模具，推出了具有比较复杂的花纹和更好的抓地力和稳定性的轮胎产品。由于增材制造的高度设计和制造自由性，还被广泛应用于制造模具的共形冷却通道，以增加和均匀化模具镶块的冷却速度。传统的内流冷却通道是在模具上钻孔，由于加工的限制，很难贴近模具表面，尤其是模具表面比较复杂的时候。而增材制造技术解决了这一难题，可以制造出任何复杂的内流道，如图1所示,深色部分是贴合模具表面的冷却通道。图2为混合模组件，该部分底部是机加工，顶部是增材制造技术制造的。Salandre等[3]通过EOSM290打印机使用不同颗粒分布和雾化的新型工具钢(L40)粉末制造注塑模具，验证了其硬度和塑性等指标高于注塑应用标准。

图1 贴合模具表面的冷却通道 图2 混合模组件

3.2 增材制造技术用于间接模具制造

用增材制造技术制造原型件，再用不同的工艺方法制造出模具，如浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂等软材料可构成软模具。用增材制造技术制作的母模或软模具与熔模铸造、陶瓷型精密铸造、冷喷等传统工艺结合，即可制成硬模具，能够批量生产塑料件或金属件。李翔等[4]通过增材制造技术(SLA)制造树脂模具，在模具中填充生物材料，再去除树脂模具，制造出生物相容性良好的多孔生物陶瓷支架。Hawaldar等[5]比较了使用增材制造技术和传统工艺制造的砂铸模具在节省重量、提高表面光洁度等方面的性能，结果表明，增材制造技术在砂型铸造模具方面具有明显优势，节省了大量的砂子使用，减小了设计余量和修复工作，而且由于使用增材制造过程中良好的粘结强度，增材制造的模具性能也高于传统模具。华中科技大学董选普等[6]采用聚乳酸材料通过FDM方式制造出替代V法造型木模的模型，分析了不同工艺参数增材制造的模型硬度、抗压性能、表面粗糙度等参数，结果验证了通过增材制造技术制造V法模具的可行性。Biondania等[7]比较了选择性激光熔化(SLM)、热喷雾(TS)和电成像(EF)在光学质量模具生成方面的优劣势，进而提出一种SLM与TS、EF工艺相结合的模具制造方式，该方法结合了三种工艺的优势，通过这种方式制造的原型模具经注塑试验验证，模具表面硬度或粗糙度没有显著变化，满足模具使用要求。

3.3 增材制造技术用于模具修复

针对一些比较贵重的模具，因长期在高温高压的工况条件下，模具表面容易出现表面点蚀、细小裂纹等缺陷，通过引入模具修复技术在保证模具性能的前提下可以实现模具再利用，它有效地节约了成本，减少了模具浪费。传统的模具修复技术是在模具局部失效后，通过机加工方式或者其他方法去除失效部分，再通过等离子堆焊、高温高压热喷涂等技术修复模具。但通过这些技术修复的模具质量难以保证，而且容易引起环境污染。而引入增材制造技术进行模具修复，对环境友好，模具的综合力学性能良好，拥有很高的应用价值[8，9]。霍立军[10]选择铁基复合粉末Fe60作为修复粉末，利用激光增材制造技术在已报废的冲裁模具上进行修复实验，并对修复后的模具试件进行了力学实验分析，结果表明修复后模具的力学性能满足冲裁模的工况要求。

4 结论

增材制造无论在技术上还是在工业上都具有明显的优势，有可能带来巨大的经济效益。尤其是在模具制造领域具有很大的应用优势，基于增材制造技术的高度设计和制造自由性，可以快速迭代产品，满足个性化定制化需求。由于增材制造技术大批量生产时耗时较多，在短时间内还不能替代传统的模具制造方式，但通过增材技术可以实现铸模制造，再通过铸模制造产品，这是目前最具实用性的应用策略。在未来，随着增材制造技术的发展，必将对模具设计与制造产生变革性影响。