模具制造中3D打印技术的运用

模具制造中3D打印技术的运用

何英豪

台州市黄岩区第一职业技术学校

摘要：为了进一步增加模具生产制造的精准度与效率，作出合理应用3D打印技术的提议。分析3D打印技术用于模具制造中的体现的优势，包括缩短模具的加工周期，减少制造成本，加速产品研发进度及实现产品定制化等，较为全面地总结3D打印技术的应用方法，探讨技术要点等。希望能有更多的认识认识到3D打印技术的优势，不断拓展其应用范畴。

关键词：模具制造；3D打印；优势分析；技术应用；发展前景

引言

模具制造技术是各类工业产品生产制造的基础，现代工业发展进程中，60%以上的产品需要执行模具加工工序。模具加工辅助增加了生产效率，为优化产品综合性能、质量等创造了很多有利条件。但传统模具制造实践中也暴露出一些不足。模具研发技术难度高、零部件结构日益复杂及外形不一致等，使模具现场制造中会遇到诸多难题。3D打印技术的研发是传统模具技术创新改革过程中形成的一道重要产物，3D打印技术又被叫做快速成形（RP）技术，其有效弥补了传统制造工艺的不足，当前该项技术在国内机械产品设计领域获得了很高的肯定度，能辅助减少设计生产支出，缩短周期，增加设计效率，进而创造出更理想的效益。

1  3D打印技术用于模具制造中的优势

1.1缩短模具的加工周期

模具制造主要通过运行流水线使前期产品设计方案转变成实物体的过程，3D打印技术是利用计算机内设计人员规划好的三维方案建立出实物的立体模型。由此可见，3D打印技术能辅助增加传统模具加工过程的精简度，省略了哪些不必要的繁琐处理程序，显著缩短了产品生产周期。另外，和传统人工手动设计相比较，运用3D打印技术设计产品过程表现出更高的机动性、灵活性，充分利用电子计算机的自动化功能，使模具设计的精准度与高效化得到更大的保障，并节能市场运作需求有针对性地调整产品的加工过程。

1.2减少制造成本

客观上讲，当前国内3D打印技术的成熟度还不高，用在金属机具制造领域将会耗用大量的资源，尽管如此依然不能的成功打印出部分材料的模具模型。但采用3D打印技术设计塑料制品模具时，其在经济性方面体现出良好优势[1]。一些产品制造时投资较高，运用传统模具制造方法处理时会产生废品率较高的问题。而如果应用3D打印技术，因为其灵活性较强，故而能协助工程设计师屡次尝试执行多种设计思路与方案，故而有助于减少因部分设计内容整改而引起的不必要资源浪费问题，减少成本支出。另外，3D打印期间是将计算机内培智的软件作为建模基础实现逐层打印的，故而和传统制造模式相比较能明显减少生产用材料的投用量。

1.2加速产品研发进度

利用3D打印技术能直接捕获到计算机设计所得的各种CAD图片，确保了模型转换成实物产品的精准度。过去制造生产产品模具时，需要执行勾画设计图纸、材料试错及数据测量检验等诸多过程，这就决定了模具制造流程长、投资高及产品属性不确定等情况。而规范应用3D打印技术能使以上问题迎刃而解，为产品研发模式、方法等改革创新提供了可靠的支持，这是促进达到模具定制化发展的一项重要举措。产品研发期间， 3D打印过程中通过启用计算机系统能仿真模拟各类材料的现场加工过程，寻找到更多适用于生产制造模具的原料，并检测材料功能指标数据，进而为生产出高品质模具提供可靠的参考信息。3D技术和模具制造过程实现精准化对接，能逐渐实现产品的个性化定制，进而更好地满足客户的需求，增加销量。

2  3D打印技术在模具制造中的应用方法

2.1直接制造软质模具

这类模具最大的特点是利用模具复型工艺达到生产实物的目标。既往国内外大量实践表明，软质模具本体具备制造操作简单、投资地等特征，但不适合生产高精度构件，因为其材质及模具属性特别，工件圆角的成型拿督高，压力严重损失。而辅助应用3D打印技术能显著优化软质模具的制造质量，增加工业生产效率，可以尝试采用如下三种工法实现：

（1）选区激光烧结（SLS）砂模：启用选区激光烧结技术能直接加工出砂模。激光本体的能量可以诱导高分子粘结剂的不断熔化进程，进而有效粘结砂砾原料[2]。这种工法生产出的砂模可以作为软质模具的标准化模板，和传统软质模具工法相比较其在精准度、平滑度及其他使用性能等诸多方面均占据优势。

    （2） Direct AIM法：这种工法最大的特点是利用SLA技术体系直接生产出塑料模具，把所得模具作为浇铸处理的热缩性塑料。基于这种方法制造而成的模具精准度处于较高的水平，但模具的成形过程历时较长，且自身的局部力学性能偏差，发生破损的风险更大。Direct AIM法适用于制造外形复杂度较高的零部件模具。

（3）光固化成型：这种方法的应用原理是把铝粉和环氧树脂的混合物作为原材料，随后在光固化成形机之上达到固化成型。和Direct AIM技术相比较，利用光固化成型工法制造出的模具强度更高。为了进一步增强模具的热传导性能，可以将适量铝粒掺拌至混合物内，以上这种措施还有益于缩短模具的制造时间。

2.2间接制造软质模具

2.2.1金属喷涂

这种工艺方法选择将3D打印原型作为母模，把熔点低的金属材料或合金喷均匀地涂至母模表层而生成金属薄壳，随后将适量复合型材料填充至背衬以实现制造模具的目标，该工法能迅速地制造出实际所需的铸模，利用铸模辅助加工中一些标准零部件。便携式喷枪

是执行金属喷涂工序的基础。两根金属丝之间会生成电弧，其最大的作用是将金属丝融化成大量的微小液滴，压缩空气能把液滴吹散至模型表面，生成厚度0.5mm左右的金属薄层。

2.2.2硅橡胶浇铸

这种工法制造成的模具具备优良的柔性与弹性，在生产构造复杂的零部件模具方面体现出良好的效能，当前在功能性塑料、金属机械零件制造领域均得到了广泛应用。硅橡胶模具的优点集中在如下几点[3]：（1）精准度高，在硅橡胶型腔能快速辨识出母模的小细节；（2）能够减少冲模锁死或零件无法由模具内取出等异常情况的发生率。具体制作过程可以做出如下概述：按照要求处理母模表面，在其上均匀涂抹适量脱模剂，稳固母模位置并安置好型框。随后按规程浇铸前期配制好的硅橡胶悬浮液，于70℃恒温条件下连续烘烤悬浮液以诱导其逐渐凝固。用刀片抛开模并小心地拿出原型，整个母模去除后模具就形成了空腔。这种模具适用于铸造聚氨酯零件，现实中各个模具具备上能成功制造出20个聚氨酯零件。

2.3直接制造硬质模具

2.3.1 RapidToolTM

   RapidToolTM是由DTM公司的一项专利。可以将这种模具用在传统铸模机设备上，进而制造出功能多样化的产品。将CAD数据统统整合到快速成形设备内，运用SLS技术烧结处理金属颗粒，这样就能顺利地铸造出原型件。因为SLS工艺实施期间发生熔化的仅是，低熔点的金属材料，熔化所得的材料粘结成形，实体局部存在缝隙，故而很难确保其力学性能达标。后续要用高温重熔工艺处理原型件，只有这样才能获得预期的模具成品。机械能叫快捷地加工处理模具成品，历经软件补偿以后能将收缩率控制在2%以下。RapidToolTM法制造构造复杂的模具模具耗时大概2周，而传统模具制造工艺历时长达6~12周。

2.3.2金属板材层加制造

这是以分层实体制造（LOM）工艺发展起来的一种模具生产技术。具体实践中直接选用金属片材作为原料，运行局部激光切割、焊接或粘结剂粘结片材等方式铸造出金属件。日本层应用低熔点合金材料均匀地涂擦在厚0.2mm钢板的两个侧面，利用电焊工艺打造出金属零件。运用3D打印技术提供完整的2D切片数据，LOM工艺用高可靠度的粘结剂粘结金属薄膜，激光机切割外轮廓及隔离块体，在工业炉内持续烧结半成品，通过这种方式能使其理论密度的99%，但是会带来18%的局部收缩问题[4]。

2.3.3 ProMetalTM快速工具法

    ProMetalTM方法能快速且高精准地打印出不锈钢零件，可以利用这类零件制造塑料产品的模具。这种技术的具体操作是启动喷印头均匀地喷射液体以粘结粉末，促进各层选区的有效硬化过程随后将金属粉末平铺在其上，重复执行以上工艺操作过程，直到生产出所需的零件。和以上模具制造技术相比较，ProMetalTM法设计生产出模具要完全浸泡在另一种金属熔液内，只有这样才能较好的满足模具在致密度方面提出的要求。

2.4间接制造硬质模具

2.4.13D keltool技术

这是美国3D打印公司自主研发的，其采用SLA翻新生产出硅胶模，随后将其掺拌粘结剂的金属粉倒进模内，当观察到材料完全固结后拿出模具坯件。通过执行烧结过程剔除粘结剂，获得内部空隙率30%左右的模具熟坯件，按照技术规范对其进行渗铜处置后提高材料的致密度，改善力学性能指标，运行机械化加工过程以确保整个模具的精准度达到要求。

2.4.2 Ecotool

这是近些年发展起来的一种全新的环保型模具制造技术，工艺实施过程时用材料粘结系统高效化地执行了3D母模打印过程，充分发挥出了粘结剂溶于水的特点，不会带来环境污染问题。具体实践时先于3D打印的原型之上勾画出单条分割标识线，灌注母模以使=其呈现出饱满状态，并浸润整条分割线，随后在室温条件下持续放置1h[5]。利用相同地方法制造另一半模具，最后拿出整个母模，在微波内二次固化处理模具。

3 结束语

新时期下，产品更新迭代速度十分快，所制造出的产品没有销路，那么会使企业承受巨大的经济损失。企业可以尝试运用3D打印技术制造产品样品，有针对性地整改局部，以更好地优化产品的综合性能，实现批量化加工制造，明显缩短生产实践，节省成本，协助企业实现效益的最大化，增强自身的竞争实力，实现可持续化发展。

参考文献：

[1]李佳忆,李君涛.3D打印在医疗器械领域应用前景分析[J].新材料产业,2022(02):51-55.

[2]刘珌卿.探讨模具制造中3D打印技术的关键技术[J].科技视界,2021(30):31-32.

[3]张靖.3D打印的应用机遇——个性化制造的需求及去全球化的趋势[J].创意与设计,2020(04):82-87.

[4]林密.3D打印技术在模具制造中的应用展望[J].农机使用与维修,2019(04):17.

[5]熊海涛.3 D打印技术在拖拉机零部件模具制造中的应用[J].农机化研究,2019,41(10):254-258.