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3D打印技术的原理及应用前景
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3d打印技术专题
&&陕西日报
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3D打印技术在模具行业中的应用现状
评论: 0|原作者: 激光制造网
摘要: 国内目前进行3D打印模具应用研究的企业并不多，未来3D打印技术的产业化、市场化，模具制造是一个很好的发展方向，尤其对于广大模具制造企业来说。
3D打印，又称增材制造技术，是一种以三维CAD模型文件为基础，应用粉状、丝状或片状等材料，通过“分层制造、逐层叠加”的方式来构造三维物体的技术。
目前应用比较广泛的3D打印成型工艺主要有：选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、直接金属激光烧结（Direct metal Laser Sintering，DMLS）、立体光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、分层物体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）等，不同类型的工艺在不同的领域有着应用的优势。
3D打印技术在模具行业中的应用，主要分为三个方面：
（1）直接制作手板
上述几种3D打印工艺都能制作手板，只是制作出来的手板的精度、强度和表面质量有区别，这也是目前3D打印技术最常见的应用方式；
（2）间接制造模具
即利用3D打印的原型件，通过不同的工艺方法翻制模具，如硅橡胶模具、石膏模具、环氧树脂模具、砂型模具等；
（3）直接制造模具
即利用SLS、DMLS、SLM等3D打印工艺直接制造软质模具或硬质模具。
3D打印在模具制造中的应用
3D打印技术的优越性
（1）3D打印技术在生产过程中能实现生产材料“零”浪费。3D打印技术的生产过程是根据零件的三维设计进行逐层打印，与传统的“减材”加工相比，实现了生产材料的“零”浪费。
（2）利用3D打印技术可以加快产品的研发进度。3D打印技术改变了设计者的思维方式，他们会根据零件承重、受力部位的不同进行思考。
（3）利用3D打印技术可以大大缩短生产周期。3D打印技术从设计到生产，省去了传统加工过程中工艺设计与求证的过程，缩短了生产周期，并能根据市场需求，及时调整生产批量。
（4）利用3D打印技术可以大量减少设计、生产过程中的人力资源。
（5）利用3D打印技术可以制造具有特殊结构的模具，如随形冷却模具，这是传统制造方法难以实现的，也是3D打印技术在模具行业应用中的一大亮点。随形冷却模具具有诸多优势，可以提高模具的冷却效率，使得制品冷却趋于均匀化，提高了产品质量和生产效率。
传统的模具制造过程
传统的模具制造过程是，在接单后还需对接单项目进行评审，评审过关后制定生产进度表，然后进行3D软件修正、模流分析、分型线及进料点确定，最后反馈给客户定稿，客户满意后才能确定制造用的零件图，才可以准备加工流程。其加工流程如图1所示。从图1可见，采用传统的模具制造过程加工出一个合格的模具所需要的人力、物力较多，生产周期较长。
利用3D打印技术的模具制造流程
利用3D打印技术直接制造模具的流程如图2所示（以SLM工艺为例），可分为成型前准备、SLM成型和成型后处理三个阶段。成型前准备包括模具模型的3D建模、STL格式转化、添加支撑结构、确定工艺参数、进行分层切片等数据处理；SLM成型阶段属于自动化加工，人工干预较少，只需对SLM设备的工作状况进行监控，保证设备的正常运行即可；成型后处理包括取件、清粉、喷砂、表面打磨、抛光以及其他加工等。下面具体讲述利用SLM工艺制造模具的过程。
成型前处理
（1）模型设计
模型设计是模具制造的第一步，直接决定了模具的外形特征，例如随形冷却注塑模具，设计时不仅需要考虑冷却的效果，还需要考虑加工工艺的限制及采用的模具组合方式等因素。冷却的效果要兼顾冷却效率和冷却的质量两个方面，需要优化冷却通道的排布和结构特征，冷却通道的设计原则和方法等；加工工艺限制主要是针对SLM工艺的成型特性，在设计时对某些特征的处理，以保证模具在成型制造时不会导致特征丢失，例如，微小特征、悬空结构等；随形冷却注塑模具比较经济和实用的模具组合方式是镶嵌式。
（2）添加支撑
添加支撑的目的主要有两方面，一是为了将成型工件固定在基板上，这是由于在模具成型的过程中，由于铺粉时需要将粉料均匀紧密地平铺在基板上，铺粉时存在一定的剪切力，若成型零件在基板上未固定或固定不足，轻微的移位会导致加工完成的工件错层，严重时工件有可能卡住铺粉装置，损坏设备。因此，需要足够的支撑将成型工件固定。二是为了防止特定结构打印时的特征丢失，这主要是针对倾角较大的结构。
添加支撑是成型前处理的重要工作，对工件的成型质量有着重要影响。不同加工设备的支撑有所区别，主要分为两类，一类是交错的网状结构，主要应用于底面平直部分较大的工件支撑；另一类是片状的支撑，应用于圆柱面等非平直曲面的支撑。最小的支撑高度，即最低成型面到基板平面的距离，过高则造成工件的总成型高度过大，所需的铺粉粉料用量变大；过低则会造成取件困难，综合考虑，一般选择3至5mm。
（3）确定工艺参数
工艺参数直接决定了成型工件的质量。工艺参数包括铺粉厚度、激光扫描速度、扫描方式、工件摆放的空间位置等。
成型后处理
3D打印成型完毕后，打印工件淹没在粉料里，取件时先将熔结产生的废料清除，防止废料污染粉料；然后将工作台上升，在加工仓内进行初步的清粉，使用毛刷将未烧结的、依附在工件表面的粉料清扫入粉料回收缸，以备循环使用，最后将工件和基板一并取出。
（2）去除支撑
取件后，需将工件与基板分离，通常采用线切割、锯等方式。线切割分离时间较长，多用于支撑较多，支撑连接处具有薄壁特征的工件分离，因为该分离方式较为柔和，不会造成工件变形。当工件较小、支撑较少，或支撑连接处为实心结构时，为节省分离时间，也可以采用凿子直接将工件取下。
该清粉主要针对模具的冷却通道部分，可以采用毛刷直接清粉，也可以使用吸尘器或吹风机等辅助设备去除滞留在冷却管道内部的粉料。冷却通道的结构对清粉难度有一定的影响，例如直径、通道曲率半径等。
喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海南砂等）高速喷射到需要处理的工件表面，使工件的外表或形状发生变化，获得一定的性能。对于SLM工艺成型的工件，喷砂主要有以下两个目的：1）喷砂能清理粘连在工件表面的粉料，提高工件的光洁度和精度。工件表面在成型时会粘连少量未完全烧结的粉料，连接强度虽然较低但清粉时难以去除，因此采用喷砂处理。2）消除热应力，提高工件的机械性能。粉料在烧结的过程中，热应力积累，成型的工件内应力大，为防止使用过程产生变形或开裂，采用喷砂处理将其消除。
（5）其他加工
SLM工艺的技术优势在于成型内部具有复杂、非规则结构的工件。注塑模具内部具有冷却通道，外部具有各种结构类型，如凸台、凹孔等。目前，由于SLM工艺成型的工件表面粗糙度较大，精度难以控制，将SLM成型的模具直接应用于塑料成型还不成熟，尤其是对表面光洁度、精度要求较高的塑料制件。因此，还需要借助其他传统机械加工方式进行后续加工，才能满足模具的精度、表面质量等要求。
3D打印技术在模具中的应用研究
目前，在国内，3D打印技术在模具中的应用研究，大多基于各研究单位自身在3D打印技术研究的基础上进行的，如华中科技大学、华南理工大学等，并取得了一定的进展。
华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，主要研究激光与材料的相互作用机理，建立3D打印过程中零部件性能与精度的控制方法，形成材料、工艺、装备一体化的成套技术体系，解决大型复杂高性能零部件的快速整体成形制造。其选择性激光熔化技术（SLM）可成形任意复杂结构和接近100%致密度的金属零件或模具，材料利用率超过90%，已在航空航天、汽车、精密铸造等领域得到了应用。
2005年，华中科技大学鲁中良等基于国内对注塑模、直线冷却水道设计的研究成果及国外对注塑模随形冷却水道的建立规则，提出了基于注塑模与注塑件均匀冷却的设计方法。根据该设计方法制造出电池盒注塑模，相对于直线冷却水道而言，采用带有随形冷却水道的注塑模成型电池盒注塑件，其成型周期减少约20%，变形减少约10%。2007年，华中科技大学史玉升等提出了基于离散/聚集模型的随形冷却水道的设计方法，建立了截面为圆形、椭圆形、半椭圆形、U形的冷却水道的传热模型，并使用SLS成功制造了香盒模具，模具如图3所示，其冷却水道设计思路示意图如图4所示。
3D打印模具制造应用实例
下例是江苏永年激光成型技术有限公司利用SLM三维打印技术制造的长虹B4500平板电视底座支架的随形冷却注塑模具，如图5至图9所示。
模具效果如表1所示。与使用铍铜做镶件相比，可以使得冷却周期从50s降低到25s，冷却效率提高了一半。
从该案例可以看出，传统设计制作的冷却水路都是以钻孔方式完成，其直线圆管状造型另须避开结构或组装原件，因此水路设计极其受限。而使用3D打印技术为模具设计随形冷却水路，除了可以使模具局部温度降低或达到均温之外，并可对模具进行更快速的冷却处理，这样可以缩短成型周期，并且不会因成型周期缩短而有残余应力及翘曲等问题发生。
由3D打印技术制作的模具，冷却水路或其他管道设计具有位置及造型的无穷想象空间，随形冷却水路是完全只依模具外型所设计的水路，能使生产过程获得最大的成效，可提升30~70%的产能时效与质量良率，这意味着1000亿美元容量的全球模具制造领域，都可以受益于3D打印打来的商机。随形冷却水路应用在模具行业非常有前景，特别是在高端精密模具市场，未来的市场价值可达几十亿甚至上百亿元人民币。
3D打印技术短期内无法替代传统模具制造技术的原因分析
（1）3D打印模具的零件尺寸受限。2013年华中科技大学成功研制出1.2×1.2m的金属3D打印机，这在当时是世界上加工面积最大的设备。2013年大连理工大学成功研制出工作面尺寸达到1.8×1.8m的激光3D打印机，其技术刷新了世界最大的3D打印机记录，但这些设备仍不能满足工业上大型模具的制造。如何解决3D打印大型模具的技术难题是目前需要解决的问题。
（2）3D打印模具的力学性能难保证。力学性能是零件的重要参数，为零件的选材、设计、失效及分析、使用和寿命提供了主要依据。据权威部门统计，由于材料失效所造成的经济损失约占发达国家年生产产总值的4%，其中航空工业材料失效又占材料失效的5%，可见零件力学性能的重要性。为此，传统的数控切削加工为了保证零件的力学性能，在生产过程中较多的时间是在对零件进行时效、热处理等相关工作。而3D打印技术却不能完成这些工作，从而打印出的零件的力学性能较难保证。如何找到更好的3D打印原材料、如何改进3D打印技术、如何结合金属热处理等技术提高3D打印模具的强度、韧性、表面硬度等力学性能是3D打印急需解决的难题。
（3）3D打印技术可使用的材料种类较少、能提供打印材料的供应商有限。传统制造业所用材料的种类繁多，同一形状的零件因使用部位不同，考虑到经济及其他因素，所使用的材料大不相同。而目前我国的3D打印材料依赖进口，而掌握最多打印材料的以色列Object公司也只使用14种基本材料，107种混搭材料，这些材料中能用于工业的就更少了。3D打印技术在打印零件时，将不能因零件使用要求选材，从而提升了制造成本。
（4）3D打印技术目前所能达到的尺寸精度和表面粗糙度还不能完全满足精密模具的设计要求，这是限制3D打印技术在模具中应用的一个关键点。如果3D打印制造的模具需要过多的后续机械加工，这就会再次增加模具的制造成本，增加了模具的制造周期。日本研发的3D打印与铣削复合的加工系统提供了一个很好的借鉴，充分结合3D打印和传统加工二者的优势，这是解决3D打印精度难以控制的一个思路。
3D打印技术在广东模具行业中的应用现状
总体说来，国内在3D打印模具制造方面的应用与国外相比存在较大差距。但3D打印技术给模具制造带来的改变是不容忽视的，尤其对像广东这样的模具大省来说，3D打印技术引入到模具设计和制造中来是一种趋势，无论是对于前期的产品设计、制作样板，还是成型制造随形冷却水路模具等应用。对于模具企业来说，虽然不具备3D打印设备的研发能力，但占据着模具市场资源这一大优势，可以为推广3D打印技术在模具中的应用提供极大的便利。
例如，3D打印对东莞传统制造业带来巨大冲击。随着3D打印市场化步伐加快，预计到2020年，东莞八大支柱产业中大部分都会受到冲击。当然，这既是一种冲击，也是一种机会。作为东莞传统产业的模具行业，正面临着转型升级的压力，很多企业已经感受到3D打印可能带来的冲击，就会主动寻求机会，去利用3D打印技术研发新产品、提供更高价值的服务，同时再结合企业需求，去研发或者改进3D打印机、研发3D打印材料等等。这是从传统产业往智慧产业发展的过程。3D打印技术也将衍生出一些新的产业，如，专门从事3D打印产品设计的创意公司、3D打印材料供应公司、3D打印应用超市等。
目前，在东莞，已经有二三十家企业在制造业领域使用3D打印技术，模具企业是应用3D打印技术最多的行业，模具企业应用3D打印技术，主要集中在样品的生产上。样品生产出来之后，对产品的结构、外观以及功能进行测试，合格的才制作模具，然后进行大规模生产。将3D打印作为辅助生产的工具，主要应用在研发阶段。
使用3D打印技术的优势在于可以大大缩短生产周期、节约生产成本。比如，一副模具的随形水道的加工，采用传统的制造技术，难度很大，还要经过至少5个人的手，大约12个工作日才能完成，有时还会造成材料的浪费。但利用3D打印技术，73小时就可以完成，这样就能够不断提高市场竞争力，在发展中抢得先机。同时，也应该理性地认识到，3D打印技术是无法取代传统的模具制造技术的，两者是相互补充的。
此外，2013年4月在“中国模具制造名镇”、“广东省模具制造专业镇”的东莞横沥镇，在横沥模具产业协同创新中心内组建了横沥镇模具产业3D打印技术公共服务平台。希望在该平台的推动下，借助3D打印技术，进一步提升横沥镇及周边地区模具制造相关企业的市场快速应变能力、产品开发和技术创新能力、综合竞争力，从而促进产业集聚，打造产业特色，助力模具产业转型升级，带动模具产业实现新一轮增长。
3D打印技术和传统制造技术都存在优势和劣势，目前，3D打印技术还不能替代传统制造技术。为此，只有通过探索、研究，取两技术之长来推动制造业的高速发展。
从2014年6月在上海举行的第十五届中国国际模具技术和设备展上来看，国内外许多3D打印公司，如美国3D Systems公司、Stratasys公司、德国EOS公司、中国的马路科技顾问股份有限公司、实威国际（研威）股份有限公司、烟台泰利汽车模具制造有限公司、上海光韵达三维科技有限公司、南京恒宇三维技术开发有限公司、杭州先临三维科技股份有限公司、普立得科技有限公司、上海福斐科技发展有限公司、磐纹科技（上海）有限公司、上海美唐机电科技有限公司等，都展出了各类3D打印设备和技术。3D打印技术的参展商呈现增加趋势，这也说明未来3D打印技术在模具中将会获得更加广泛的应用。
但总体来看，国内目前进行3D打印模具应用研究的企业并不多，未来3D打印技术的产业化、市场化，模具制造是一个很好的发展方向，尤其对于广大模具制造企业来说。这是由于，从3D打印的应用来看，航空航天、军工领域技术要求较高，医疗领域准入条件高、个性化定制需求有限，而在模具行业，结合众多模具企业和模具专业镇的基础优势，3D打印的推广和应用更具有优势。
目前，针对3D打印技术和传统加工技术存在的不足和优势，让它们相容互补是3D打印技术发展的方向。主要集中在两个方面：
一是企业在开发新产品时，可以利用3D打印技术制造样品，传统制造技术进行批量生产。因为这样不仅可以去除传统模具制造先做模具，通过模具制造出样品，再进行多次修改，最后制作出满意的样品的步骤，还可以让传统制造的批量生产弥补3D打印速度慢、制作终端产品成本高的劣势，从而加快了产品上市的时间，提高了经济效率。
二是应用3D打印技术能够制造复杂零件的优势，加工制造具有特殊结构的模具，如带有随形冷却水道的模具等。
南极熊nanjixiong.com中国3D打印第一互动媒体平台
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