淺談金屬SLM3D打印模具零件的教學(xué)案例選擇

金玉靜 茅宇楠 儲瑞鵬 陳繼澎 張志鵬 張鈺瑩

1引言

近年來，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式也正快速改變著。3D打印技術(shù)作為新興制造技術(shù)的典型代表，已經(jīng)從早期在航空航天領(lǐng)域大量應(yīng)用的金屬3D打印技術(shù)，開始轉(zhuǎn)向了工業(yè)、汽車、醫(yī)療、模具等市場。

在電子、汽車、電機(jī)、儀器、電器、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中， 60%-80%的零部件都依靠模具成型，可見模具市場之大。用模具生產(chǎn)零件所表現(xiàn)出來的高精度、高復(fù)雜度、高一致性、和低消耗是其他加工制造方法所不能比擬的。模具制造專業(yè)通常需要學(xué)習(xí)塑料模具設(shè)計、沖壓模具設(shè)計、模具軟件系統(tǒng)以及模具制造工藝。以塑料模具設(shè)計中的注塑模具為例，采用傳統(tǒng)制造工藝，在模具開發(fā)初期，設(shè)計以及開模成本較高，到真正使用所需要的周期較長。但如果采用金屬選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)（SLM，selective laser melting），則可以解放設(shè)計者的設(shè)計思路，縮短開發(fā)周期，降低前期成本。除此以外，優(yōu)化過的隨形冷卻水路可以明顯提高注塑產(chǎn)品的冷卻均勻程度，減少塑料產(chǎn)品的脫模時間，并提高產(chǎn)品的合格率。因此，盡快在模具專業(yè)教學(xué)過程中加入3D打印模具零件的教學(xué)是非常必要的。本文將淺談幾個適合模具專業(yè)進(jìn)行3D打印模具零件教學(xué)的企業(yè)真實(shí)案例。

2案例分析

如圖1所示，為注塑模具的隨形冷卻水路優(yōu)化設(shè)計。從圖中可以看出，隨形冷卻水路的設(shè)計，解決了模具行業(yè)中深腔狹小區(qū)域的冷卻問題，實(shí)現(xiàn)了注塑件整體的均勻冷卻，減小注塑件變形的同時還縮短了成型周期。超百個零件的同時打印，比傳統(tǒng)加工方式更具成本和制造周期優(yōu)勢。除此以外，該模具使用了模具鋼，替代了傳統(tǒng)加工中采用昂貴的鈹銅來保障冷卻效果。模具鋼的高硬度，耐磨性及壽命也得到明顯提高。

圖2所示為波輪洗衣機(jī)模具，基于金屬激光3D打印技術(shù)，開展了一體化設(shè)計，融合了貼合壁面的隨形冷卻水路設(shè)計。這種分布均衡的水路設(shè)計，保證了產(chǎn)品均勻收縮，使得冷卻的一致性更好，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。而采用3D打印的一體化的打印加工方式，巧妙回避了傳統(tǒng)水路需要考慮的零件拆分以及密封等問題，提高了模具壽命和可靠性，從而降低成本。另外，還可以從圖中看出，該模具由于不是連續(xù)體，還需要進(jìn)行CNC加工，而采用3D打印技術(shù)的一體化打印，減少了材料消耗和機(jī)加工時間，也明顯縮短模具制造的周期。

上述兩個例子均適合用于模具專業(yè)3D打印零件的教學(xué)案例。首先，兩種零件均采用了隨行冷卻水路設(shè)計，使學(xué)生可以直接通過對比理解3D打印技術(shù)的工藝原理與應(yīng)用優(yōu)勢，為后期學(xué)生在水路方面的設(shè)計提供了思路。其次，兩種零件的尺寸均不大，可以同時打印的數(shù)量較多，即使3D打印設(shè)備不足，也可以完成教學(xué)任務(wù)。再次，兩種零件均使用同種模具鋼粉末，避免了更換打印用金屬粉末造成的設(shè)備及配件清理需要的大量前期準(zhǔn)備工作和耗材的損失。最后，這兩個案例均源于企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，有助于學(xué)生了解目前3D打印技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用情況，以及未來的發(fā)展趨勢。同時，展示了我國模具制造業(yè)向高端發(fā)展的趨勢和力量，提升學(xué)生的民族自豪感和學(xué)習(xí)該門課程的興趣與動力。

3.結(jié)束語

隨著3D打印技術(shù)的日益成熟以及其成本的不斷降低，3D打印技術(shù)將在注塑模具冷卻系統(tǒng)的隨形水路制造領(lǐng)域，以及一體化打印制造領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。因此，為了響應(yīng)《中國制造2025》中對未來制造業(yè)具有綠色化、智能化以及高端化的要求，及時在模具專業(yè)中加入3D打印的相關(guān)教學(xué)是非常必要的，選擇將企業(yè)真實(shí)應(yīng)用的案例進(jìn)行教學(xué)案例轉(zhuǎn)化，有助于學(xué)生了解模具行業(yè)與3D打印技術(shù)結(jié)合后的最新發(fā)展趨勢，同時，也能培養(yǎng)出兼具模具背景與3D打印技術(shù)的新型技術(shù)技能復(fù)合人才，滿足3D打印設(shè)備制造商以及3D打印產(chǎn)品應(yīng)用企業(yè)對相關(guān)人才的需求，促進(jìn)3D打印技術(shù)在模具行業(yè)的持續(xù)應(yīng)用與技術(shù)推廣。