3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用探索

1、    3d打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用探索    林廣平【摘 要】介紹工業(yè)制造3d打印技術(shù)工藝原理及應(yīng)用，針對塑料制件產(chǎn)品開發(fā)以及注射模具設(shè)計與制造的技術(shù)特點和要求，通過3d打印技術(shù)的引入革新產(chǎn)品開發(fā)思路及打破傳統(tǒng)注射模具設(shè)計與制造工藝，有效提升產(chǎn)品開發(fā)的有效性以及注射模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，解決模具制造技術(shù)上的難題，進(jìn)一步提高和保證模具性能和優(yōu)越的產(chǎn)品質(zhì)量?！娟P(guān)鍵詞】3d打印技術(shù)；注射模具；3d隨形冷卻系統(tǒng)一、引言3d打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，其以計算機三維設(shè)計模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將陶瓷粉末、金屬

2、粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品，它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，打印材料由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰钐沾?、金屬、塑料等?jīng)過處理的特殊材料。在模具行業(yè)中，3d打印可以制造具有特殊結(jié)構(gòu)的模具部件，如3d隨形冷卻系統(tǒng)的成型部件，解決了傳統(tǒng)制造手段難以實現(xiàn)的技術(shù)難點，3d隨形冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用有效提高模具的冷卻效率，趨于均勻化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。二、3d打印技術(shù)應(yīng)用介紹3d打印技術(shù)的出現(xiàn)率先實現(xiàn)增材制造的是快速成形技術(shù)，又稱為自由成形技術(shù)。無需經(jīng)過傳統(tǒng)的機加工手段和模具，就能直接制作出復(fù)雜的三維模型，并且快速成形

3、只需傳統(tǒng)切削法30%50%的工時和20%35%的成本，被譽為可以顛覆傳統(tǒng)工業(yè)制造理念的革命性技術(shù)，一項前瞻性可變性創(chuàng)新性非常強的技術(shù)，它以其不可比擬的獨特優(yōu)勢作用于傳統(tǒng)制造業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前應(yīng)用比較廣泛的3d打印成型工藝主要有：選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光熔化、直接金屬激光燒結(jié)、立體光固化成型、熔融沉積成型、分層物體制造等，不同類型的工藝在不同的領(lǐng)域有著應(yīng)用的優(yōu)勢。三、3d打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用1.3d打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計隨著時代、科技和人文藝術(shù)的發(fā)展而不斷更新，隨著3d打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，產(chǎn)品的生產(chǎn)方式已不再成為設(shè)計師想象力的束縛，能更專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新。目前產(chǎn)品

4、設(shè)計流程的平行化越來越受到重視，通過改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)流程，并行考慮產(chǎn)品生命周期各階段因素，強調(diào)后續(xù)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題要在設(shè)計的早期階段就被析出并加以解決，最大限度地減少設(shè)計反復(fù)，縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)時間。在產(chǎn)品并行設(shè)計條件下，產(chǎn)品開發(fā)過程的各環(huán)節(jié)、各要素在可能的情況下同時工作，協(xié)作運行。在產(chǎn)品并行設(shè)計過程中，3d打印技術(shù)的應(yīng)用是整個設(shè)計流程的關(guān)鍵，設(shè)計團(tuán)隊能夠在設(shè)計階段把概念模型精準(zhǔn)地變?yōu)閷嵨?，為設(shè)計交流與討論提供保障。它有別于傳統(tǒng)的設(shè)計思路，僅能借助極為抽象的概念模型或2d平面圖紙作為可視化媒介開展設(shè)計討論，無形中限制了團(tuán)隊間關(guān)于開發(fā)產(chǎn)品概念的有效交流。3d打印的應(yīng)用能夠讓設(shè)計團(tuán)隊中的每個成員，

5、乃至產(chǎn)品用戶都能夠直觀地看到和觸模這些概念模型，比較它們之間的結(jié)構(gòu)、外形和功能的差別與優(yōu)劣，準(zhǔn)確地反映出產(chǎn)品概念存在的問題，進(jìn)而修改設(shè)計，重復(fù)這個設(shè)計迭代過程，直到產(chǎn)品概念完善為止。2.3d打印在模具制造中的應(yīng)用目前制造業(yè)領(lǐng)域使用3d打印技術(shù)的企業(yè)眾多，其中模具企業(yè)是應(yīng)用3d打印技術(shù)最多的行業(yè)，常用于樣品的打印，對產(chǎn)品樣品的結(jié)構(gòu)、外觀以及功能進(jìn)行測試合格后，才開始模具的制造。近年來，隨著金屬3d打印技術(shù)不斷革新和成熟，越來越多的模具企業(yè)研究3d打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用，利用3d打印技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)一步縮短模具生產(chǎn)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本。金屬3d打印在模具制造中主要用于模具鑲件的打印，模具3d隨型冷卻

6、系統(tǒng)型芯型腔鑲件和異形滑塊的直接打印比傳統(tǒng)加工手段的生產(chǎn)效率和效益都大幅提高，并不受產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及復(fù)雜形狀所約束。傳統(tǒng)設(shè)計制作的水路都是以鉆孔方式完成，其直線圓管狀造型另須避開結(jié)構(gòu)或組裝原件，因此水路設(shè)計極其受限。而使用3d打印技術(shù)（dmls）為模具制造3d隨型冷卻水路，除了可以使模具局部溫度降低或達(dá)到均溫之外，并可對模具進(jìn)行更快速的冷卻處理，這樣將可減少脫模速率和成型周期，并且不會因時間縮短而有殘余應(yīng)力及翹曲等問題發(fā)生，具有傳統(tǒng)水路無法比擬的冷卻效果。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)與3d隨型冷卻系統(tǒng)比較，如圖1示。左為傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，右為3d隨型冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計時需考慮鑲件和結(jié)構(gòu)的避讓，無法把冷卻水路

7、設(shè)計到合理的位置，如上圖型芯鑲件的冷卻水路無法隨著形狀均勻地設(shè)計，因此，冷卻效果會受到極大的影響，局部會受冷卻效果影響使產(chǎn)品存在著變形的風(fēng)險；傳統(tǒng)冷卻水路的設(shè)計受限，主要受到傳統(tǒng)制造工藝的影響，傳統(tǒng)的制造手段無法給冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供保障，僅能通過鑲嵌或鉆孔的工藝手段實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)布置。隨著金屬3d打印技術(shù)的不斷提高和在模具行業(yè)中的應(yīng)用，給冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供了創(chuàng)新的平臺，設(shè)計者不用受傳統(tǒng)制造手段的限制，能夠靈活根據(jù)模具和鑲件結(jié)構(gòu)設(shè)計隨形的冷卻系統(tǒng)，把冷卻水路均勻地布置在模具成型鑲件中，使模具能夠快速冷卻并獲得良好的勻溫效果。傳統(tǒng)制造手段與金屬3d打印水路比較，如圖2示。3d隨形冷卻系統(tǒng)相比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)具有如下幾點優(yōu)勢：有效縮短注塑或壓鑄過程中的冷卻時間，減少脫模速率和成型周期，生產(chǎn)效率將大幅提高，可提升3070%產(chǎn)能時效與質(zhì)量良率。產(chǎn)品不會因時間縮短而有殘余應(yīng)力及翹曲等問題發(fā)生，有效減少翹曲變形、開裂飛邊、氣泡砂眼等產(chǎn)品缺陷，顯著提升最終產(chǎn)品的質(zhì)量與成品率；模具使用壽命得到有效延長，產(chǎn)品單位成本降低。四、結(jié)論總體說來，國內(nèi)在3d打印模具制造方面的應(yīng)用與國外相比存在較大差距。但3d打印技術(shù)給模具制造帶來的改變是不容忽視的，3d打印技術(shù)引入到模具設(shè)計和制造中來將會是一種趨勢。國內(nèi)目前進(jìn)行3d打印模具應(yīng)用研究的企業(yè)并不多，未來3d打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、市場化，模具制造是一個很