模具制造中3D打印技术的应用研究

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　　摘要：3D打印技术的出现，给复杂的模具制造注入了新的思路。文章综述了在模具制造中3D打印技术的发展现状，着重介绍了3D打印技术在模具制造中的优缺点，最后展望了3D打印技术在模具制造领域的发展前景。
　　 关键词：3D打印技术;模具设计;工业技术;智能制造
　　 中图分类号：TB472文献标识码：A
　　 文章編码：1672—7053（2019）05—0154—02
　　 Abstract ： The emergence of 3D printing technology has injected new ideas into complex mold manufacturing. This paper reviews the development status of 3D printing technology in mold manufacturing， highlights the advantages and disadvantages of 3D printing technology in mold manufacturing， and finally forecasts the development prospects of 3D printing technology in the field of mold manufacturing.Key Words ： 3D printing technology; Mold design; Industrial technology; Intelligent manufacturing
　　 1 3D打印技术简介
　　 3D打印技术又称“增材制造”技术，是集计算机技术、数控技术、激光技术、CAD/CAM技术、新材料技术等高技术群的新型成型技术。它是基于传统的平面印刷技术，利用喷头一层一层地将材料在平台上进行堆叠累积，从无到有的构建三维实物的过程。在3D打印技术体系中，新型打印材料、打印工艺设计与控制软件等是重要组成部分，3D打印机则更是其核心部分。与传统制造技术相比，3D打印技术对于传统模具制造业在生产周期上，操作复杂、设计灵活性、人工成本高、耗时耗力等不足之处上有了很大的改善。3D打印技术是一个技术性的进步，同时也是一次伟大的变革，3D打印技术已经应用到各个领域，比如在服装发饰、教育领域、医疗保健、汽车工业制造等各行各业中，都在模具制造业中应用的十分广泛，让模具制造业发展到一个新的高度，实现了该行业的转型"。
　　 3D打印技术原理：分为三个部分，第一，软件建模：如AutoCAD或Pro/E等建模软件，可以满足设计建模要求。因为3D打印机完全基于我们在计算机中构建的3D模型数据，印刷质量在很大程度上取决于3D建模的质量;第二，3D模型分层：该过程是将三维数据转换为二维数据的过程。建立的3D模型沿着平面被逐层划分为多个切片，并且每个切片记录二维打印图案信息。分割层数越精密，产品尺寸的准确度就越高，越接近于原始数据。但也同样受打印机设备与打印材料等因素的限制;第三，模型打印：通过读取文件中的每一分层上的图案信息，将液体，凝胶状、粉末状材料甚至生物活性细胞组织以各种方式结合在一起进行3D打印。通过积累不同形状的分层，最终形成产品结构的三维模型。从以上可以看出，3D打印是通过根据分割的二维片材的层数逐层沉积待喷涂的材料而形成的三维产品。
　　 2 我国模具制造技术的现状
　　 3D打印技术在中国发展之前，模具的主要生产是通过传统的制造工艺方法进行的。但是在实际开发中，模具制造业的技术水平整体不高，同其他发达国家相比较差距仍然很大，对中国模具制造技术业的发展有一定的障碍。由于材料因素的限制，在我国真正能够使用的模具在数量和寿命方面都极低。随着时代的发展，中国的相关技术取得了一定的进展，但国内3D打印模具制造的应用与国外相比仍有很大差距，还存在许多影响模具制造技术发展的问题，例如在中国模具制造技术的发展过程中，生产制造周期性长，新型材料推广不足。由于几十年大部分一直沿用老式材料，一成不变，新材料无法普及，并且新材料远远研究不够，导致了技术停滞不前。将3D打印技术引入到模具行业，对于它的设计和制造等都是一种趋势，对于模具企业来说，虽然不具备对于3D打印设备研究开发的能力，但它们具有占据模具市场资源这一大优势，可以极大地促进3D打印技术在未来模具中的应用2。
　　 模具行业被视为工业的基础，与制造业关系十分密切，许多产品往往都依赖模具来制作成形。因此，在模具行业看来，模具本身的制备技术成熟度就显得尤为重要。纵观模具行业的发展，从原来的传统模具制作到机械化加工制作，再到数字化媒体设计与自动化控制的模具数控加工，使得传统制作的工序在不断减少，而模具的质量在不断提高。又伴随着现如今一系列人工智能技术的日趋成熟，模具制造产业正朝着智能制造的方向蓬勃发展旧。
　　 3 3D打印技术对于模具智能制造的优势
　　 随着科学技术的显著提升，3D打印技术在发展过程中逐渐被模具制造业应用到模具制造中，并且直接运用到了成型、造模、加工、检验、智能机器执行等各环节之中，其优越性显而易见。
　　 3.1 节约模具生产周期时间
　　 由于3D打印技术从设计到生产，将计算机的三维设计转化为实物模型，在过程中省去了传统加工过程中设计、修改、再设计及求证等一系列复杂的程序，大大缩短了生产周期，也因为计算机设计具有灵活性、自动化、精度高、效率快等优势，可及时根据市场需求，调整产品进行再生产。
　　 3.2 降低制造成本
　　 虽然3D打印技术目前用于金属制造成本很高，个别材料也不允许打印，但就塑料产品而言，在资本投资方面相对便宜回。一些材料本身具有非常高的成本。因此，使用相对昂贵的材料用传统模具制造方法将导致相对高的废品率。但如果使用3D打印技术制作模具，灵活性可以帮助工程师尝试无数的设计，可以在一定程度上降低由模具设计修改引起的前期成本的浪费。同时，3D打印过程基于计算机软件建模和逐层打印，与传统制造方法逐层减少的过程相比，相对节省了生产材料的成本，并且由于3D打印过程的便利性，设计和生产过程中的人力资源也大大减少。 　　 3.3 提高更多可能性，加快产品研发
　　 由于使用3D打印技术，可以直接生成在计算机中设计的任何形状的三维CAD图形的实物产品，这样有利于减少制造工具或任何模具的使用率。随着我国技术水平的不断提升，可运用到3D打印的材料种类逐渐增加，在材料功能方面也从传统到非传统过渡，这有助于推进我国3D打印技术水平向多元化方向发展，更好地为我国的工业技术层面提供良好帮助。3D打印技术改变了设计者固有的思维方式，他们会根据零件不同部位的受力承重进行探索和思考，从而研发出更有助于技术进步的产品。
　　 3.4 帮助实现最终产品定制化模式
　　 打破过去定制化高成本、低效率的缺点，利用3D打印用于缩短生产周期，同时降低成本的能力，使企业能够使用更多个性化的工具来支持定制部位零件的生产。3D打印技术是个性化定制的福音，它能够为教育事业提供个性化定制模具，例如课堂上的立体实物展示图，能够让学生更加理解书上所表达的内容;也可以为医疗事业做贡献，为病人病情所需提供3D打印的个性化医疗器械，改善手术效果达到更好的治疗。
　　 4 3D打印对于模具智能制造的不足
　　 3D打印到现在近几十年间名气很大，但并未形成产业化。3D打印技术作为一门很前沿的技术，可以满足个性化、定制化、复杂高难度产品的需求，节约时间与成本，但不可否认的是在现阶段还不具备规模化、批量化的优势。
　　 4.1 材料选择单一，并且价格较贵
　　 模具材料性能要求较高，材料的性能对模具的使用寿命有很大影响。人们日常生活中需求的3D材料在目前来说选择性非常单一，特别是高温塑料以及一些常用金属不能被打印，而且还面临着金属经过热处理后容易出现打印后变形的问题。加之国内有能力生产打印材料的企业非常之少，金属材料大多依赖进口，目前实施规模化批量生产确实是很不现实。
　　 4.2 3D打印技术的效率有待提高
　　 由于3D打印的原理是通过层层叠加来制作产品，它的层数决定了它的精度，层数越多，精度越准，但相反的是，层数越多，打印的速度就会呈现反比趋势，相应减慢，这就体现了3D打印技术原理中精度与速度的矛盾性。而且3D打印过程是逐步分层打印进行的，逐层堆积使得模型呈现“阶梯型”效果，当要打印的模型存在大量曲面时，阶梯效应就很明显，表面明显粗糙，这样会影响到产品的精度。
　　 4.3 零件尺寸受限，大型模具难制作
　　 由于3D打印机的设备限制因素，大型模具难以实现。2013年，华中科技大学成功开发出1.2米x1.2米的金属3D打印机，是当时在世界上加工區域最大的打印设备。随后，大连理工大学成功开发出工作表面尺寸为1.8米x1.8米的激光3D打印机，在当时引起了轰动，其技术已经创下了世界上最大的3D打印机记录，即使这样，这些设备还是远远不足以满足大型工业模具的制造需求间。
　　 4.4传统工业制造的成熟惯性很难打破
　　 由于几百年的传统C业的发展，现如今分工明确，设备配备齐全，每个细节环环相扣，形成很大的效益链，也造成了巨大的惯性，这种惯性很难被打破。3D打印技术要想融入或者颠覆传统，成本非常高。
　　 5 3D打印技术在模具制造中的发展前景
　　 3D打印技术对模具制造有很大影响，这是毋庸置疑的，但现代产品更换的速度非常快，产品经过一系列工序生产出来，得不到消费者认同，没有销路，那这个产品按严格意义来说是个失败的产品，就会得不偿失。因此，当公司开发新产品时，他们可以首先使用计算机建模软件在计算机中进行设计，用3D打印技术制作样品，随后使用传统技术进行批量处理。因为建模设计具有灵活性，可重复根据需求进行修改，这样可以去除一些在传统制作中重复繁琐的步骤。3D打印技术在模具制造中的很大优势在于它缩短了生产周期并节省了一系列生产成本。此外，在3D打印一经推出，风头正起时有些人误解并认为3D打印技术很大可能将会取代传统的模具制造技术，但实际上，3D打印部件的批量生产缓慢，后处理复杂，制造终端产品高。与其用3D打印取代传统技术，不如将3D打印技术与传统制造技术相结合，相互补充。如直接利用3D打印技术制造铸模，再用铸模浇注出产品，也是值得探讨的一个方向。3D打印技术具有制造复杂零件，缩短生产周期，节约成本的优点，在模具设计和模具制造领域具有广阔的应用前景。在接下来的30%工业产品将由3D打印机完成，70%的产品将由模具制造。
　　 6 结语
　　 工业不死，模具永恒，科技的发展是社会发展必备，所以技术促进工业革命是必然发展的。而如今3D打印技术和传统制造技术都存在优劣势，无论是在硬件设备方面还是打印技术方面都还存在不足，并且传统制造业历史较长，经由多次实践检验，3D打印融入或者颠覆传统都需要很大成本代价，目前进行3D打印模具应用研究的企业在国内并不多，随着未来3D打印技术的规模化、市场化、产业化，对于广大模具制造企业来说，运用3D打印制造有一个可观的前景。进一步研究3D打印设备，完善3D打印技术，是对日后工业设计发展的一个必要途径。另外是否可以将3D打印与传统制造业相结合，这亟待我们去探讨挖掘。
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