3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用研究

陳劍偉

大連眾益工業(yè)技術(shù)有限公司

3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用研究

陳劍偉

大連眾益工業(yè)技術(shù)有限公司

3D打印技術(shù)屬于新型的高新技術(shù)，有著獨(dú)特的運(yùn)作模式。雖然3D打印打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，但是由于可制造材料有限，制作成本偏高，致使3D打印技術(shù)的推廣受到了一定的限制。但我們也深信，3D打印技術(shù)的應(yīng)用必然能夠取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，有效提升各個(gè)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率。基于此，本文將著重分析探討3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用，以期能為以后的實(shí)際工作起到一定的借鑒作用。

3D打印技術(shù)；模具行業(yè)；應(yīng)用

1、3D打印技術(shù)概念和分類

3D打印技術(shù)，又被人們稱之為添加制造技術(shù)，或者是增材制造和增量制造技術(shù)。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)針對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行了明確的界定，3D打印技術(shù)與當(dāng)前的傳統(tǒng)加工方式具有極大的差別。這一技術(shù)是利用三維CAD成型技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行逐層的加工工藝，是一種使用直接制造和三維模型技術(shù)相結(jié)合的三維物理實(shí)體模型的加工方法。3D打印是集CAD建模、測(cè)量、軟件、數(shù)控、激光和材料等多學(xué)科于一體的技術(shù)，具有3D打印數(shù)字、分層、堆積、直接和快速等多方面的制造優(yōu)點(diǎn)。

2、3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 個(gè)性化

市場(chǎng)上的產(chǎn)品大都千篇一律，而越來越多的人追求個(gè)性化的產(chǎn)品，這種消費(fèi)趨勢(shì)的變化必然也會(huì)對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生影響。從手機(jī)、筆記本電腦到汽車，個(gè)性化和創(chuàng)新化的需求和趨勢(shì)逐漸明顯，但這是傳統(tǒng)加工制造業(yè)難以解決的技術(shù)瓶頸，這為3D打印技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)，也是未來3D打印技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，必將引起一場(chǎng)技術(shù)的革命。

2.2 創(chuàng)新化

傳統(tǒng)的加工制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新和創(chuàng)意有一定程度的限制，例如我們現(xiàn)在所使用的各種產(chǎn)品，都是在可以制造出來的設(shè)計(jì)和制造理念下生產(chǎn)的，也就是說，從這個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，我們都必須要考慮其加工制造性。3D打印技術(shù)不但可以使一切創(chuàng)意成為可能，也會(huì)大大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)可以將電腦設(shè)計(jì)出來的創(chuàng)意產(chǎn)品直接在3D打印機(jī)上快速打印出來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)制造。

3、3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例

3D打印技術(shù)在一副模具異形型芯中的實(shí)際應(yīng)用。圖1中的塑件用以進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。該塑件的腔體深度65毫米，長(zhǎng)短邊分別是30和15毫米，細(xì)長(zhǎng)空心塑件。圖1中(a)(b)分別是塑件正側(cè)面及頂?shù)撞拷Y(jié)構(gòu)。

采用UG軟件對(duì)圖1中的塑料構(gòu)件的成型設(shè)計(jì)，型芯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2。因?yàn)樗芗始?xì)長(zhǎng)型，所以其型芯也需設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)型。冷卻問題是模具制造中的難題，尤其是細(xì)長(zhǎng)型芯的冷卻?；趥鹘y(tǒng)生產(chǎn)方法，在型芯上設(shè)置水道的難度較大，所以必須采取底部冷卻的方法(如圖2)，而由于型芯過于細(xì)長(zhǎng)，其冷卻效果不佳，可能引起塑件變形彎曲，降低生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

打印型芯結(jié)構(gòu)。因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)型芯采用底部冷卻方式，所以其冷卻效果不佳。因此，應(yīng)結(jié)合3D打印技術(shù)優(yōu)化該結(jié)構(gòu)和冷卻水道。為了加強(qiáng)細(xì)長(zhǎng)型芯的冷卻效果，在型芯結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了冷卻水道(如圖3)，但傳統(tǒng)生產(chǎn)方法不能或無法加工水道。利用3D技術(shù)的話，可以將異形水道型芯加工成實(shí)際產(chǎn)品。如在圖3中，(a)是用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)加工出來的產(chǎn)品；(b)是3D打印技術(shù)加工出來的結(jié)構(gòu)，加工出來的細(xì)長(zhǎng)型芯具有整體性，細(xì)長(zhǎng)型芯的冷卻問題得到有效解決，提高了型芯的冷卻效果。最后對(duì)模具進(jìn)行總裝設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)制造方法無法完成細(xì)長(zhǎng)型芯冷卻水道的加工，而3D技術(shù)卻很好解決了這個(gè)問題，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。同時(shí)，有效提升了模具制造的能力，如在模具冷卻水道設(shè)計(jì)制造，模具的注塑周期大大縮短，還實(shí)現(xiàn)加工材料的零浪費(fèi)的效果。3D打印技術(shù)轉(zhuǎn)換了設(shè)計(jì)的思維，可以根據(jù)元件的受力部位和承重情況進(jìn)行思考，也可以將現(xiàn)有的技術(shù)形態(tài)升級(jí)，因?yàn)槠渖a(chǎn)制造的流程簡(jiǎn)單且期短，通過集成數(shù)控加工等制造技術(shù)可以提高復(fù)合制造能力。

圖1 塑料結(jié)構(gòu)

圖2 型芯結(jié)構(gòu)

圖3 打印的型芯結(jié)構(gòu)圖

4、3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用前景

產(chǎn)品的更新?lián)Q代非?？?，產(chǎn)品生產(chǎn)出來，如果沒有銷路，那就會(huì)得不償失。在企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，可用3D打印技術(shù)制造樣品，用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行批量加工。這樣可去除傳統(tǒng)模具制造時(shí)先做模具、再通過模具制造樣品，經(jīng)多次修改制造出滿意的樣品的步驟。3D打印技術(shù)在模具制造中的優(yōu)勢(shì)在于大大縮短生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)約成本。

總而言之，在最近的5年，3D打印產(chǎn)業(yè)快速走入人們的視線，引起了人們的廣泛關(guān)注，逐漸在實(shí)驗(yàn)室、企業(yè)、家庭等領(lǐng)域蔓延開來。模具是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，是衡量一個(gè)國(guó)家制造水平的重要手段之一。利用3D打印機(jī)來加工和生產(chǎn)模具，幾乎可以完全不用考慮其結(jié)構(gòu)和形狀的復(fù)雜程度，尤其是在加工曲面時(shí)，具有其他成型加工方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)。這也就要求我們?cè)谝院蟮膶?shí)際工作中必須對(duì)其實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步研究探討。

[1]王穎，袁艷萍，陳繼民.3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用[A].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì).第16屆全國(guó)特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下)[C].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)，2015：6.

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