論增材制造如何賦能模塑智造成為新業(yè)態(tài)

楊建京

(廣東模科激光科技有限公司，廣東 珠海 519000)

一場(chǎng)突如其來的疫情給全球各行各業(yè)造成了深遠(yuǎn)的影響，所謂大疫當(dāng)前百業(yè)艱難。人類正經(jīng)歷百年未有之大變局，世界必將發(fā)生深刻的變化。中國經(jīng)濟(jì)增速換擋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，縱觀歷史，新生事物往往蘊(yùn)藏在大危機(jī)中，危機(jī)和機(jī)遇并存的思維，成為新生事物突破的不二法門?；厥走^去，每種新技術(shù)的高速發(fā)展都有自己的風(fēng)口，世界深度變革，科技主導(dǎo)未來。增材制造技術(shù)正處于這樣一個(gè)大背景下。

1 國內(nèi)3D 打印技術(shù)加速發(fā)展

黨的十九大提出“加快建設(shè)制造強(qiáng)國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)” 的發(fā)展戰(zhàn)略。而就近年充斥著疫情等因素的影響，不少制造業(yè)企業(yè)步履艱難，企業(yè)感到“山重水復(fù)疑無路”，卻又在等待“柳暗花明又一村”，新技術(shù)的作用在疫情期間凸顯，“變則通，通則達(dá)”，主動(dòng)擁抱新技術(shù)數(shù)字化的革新浪潮，運(yùn)用新一代模具智造技術(shù)給企業(yè)注入新鮮血液，必將迎接新時(shí)代發(fā)展的高光時(shí)刻！

當(dāng)前，在科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的推動(dòng)下，全球增材制造技術(shù)也是百花齊放，增材制造技術(shù)的應(yīng)用不斷得到深入，《“十三五” 國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中“增材制造（3D 打?。?成為重要一員，《國家增材制造產(chǎn)業(yè)推進(jìn)計(jì)劃2017-2020》亦開始滾動(dòng)編制，國內(nèi)政策東風(fēng)無疑對(duì)增材制造的規(guī)?；瘧?yīng)用帶來了更多的機(jī)遇。特別是在工業(yè)化應(yīng)用方面，增材制造將同等于傳統(tǒng)的減材制造和等材制造一起發(fā)揮更大的柔性作用和自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3D 打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命最具代表性、標(biāo)志性的技術(shù)之一，得到制造業(yè)的廣泛關(guān)注。而模具作為工業(yè)之母，模具的特定要求決定了模具本身非標(biāo)工具的特性和3D 打印在定制化的應(yīng)用特點(diǎn)上不謀而合，3D 打印直接打印金屬模具需要解決的主要問題也成為金屬3D 打印模具如何更多地解決傳統(tǒng)模具制造問題，從而形成模具加工的技術(shù)升級(jí)版。有效縮短傳統(tǒng)模具加工多個(gè)加工環(huán)節(jié)，并且還能獨(dú)特的加持新的技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用最大化的提升模具智造水平。

2 金屬3D 打印應(yīng)用助力模具開發(fā)降本增效

首先，3D 打印技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到底有什么具體的影響，一種新的技術(shù)如果不能帶來經(jīng)濟(jì)價(jià)值也沒有它的存在必要，至少很難得到快速的發(fā)展。而金屬3D打印模具本身不增加額外成本，生產(chǎn)周期短，設(shè)計(jì)空間大，環(huán)保生產(chǎn)產(chǎn)生廢料少。

其次，3D 打印技術(shù)可以幫助模具設(shè)計(jì)工程師跳出原有的設(shè)計(jì)思路，讓模具設(shè)計(jì)更具有挑戰(zhàn)性，復(fù)雜零件加工時(shí)間的減少，成型周期的極大改善。技術(shù)方面，我們打印的最終產(chǎn)品熱處理后硬度可達(dá)HRC48～52度，甚至根據(jù)工件需要還可以更高，可直接應(yīng)用于模具生產(chǎn)，更主要的是具有隨型水路為模具加裝了黑科技，因?yàn)槲覀冎莱^50% 的塑件質(zhì)量問題都是源自模具溫度控制不均衡，成為注塑周期不能大幅度降低的瓶頸。

2.1 行業(yè)訴求

目前模具制造業(yè)主要的行業(yè)訴求有以下幾點(diǎn)

（1）主要是冷卻時(shí)間長，不能快速脫模。

（2）在產(chǎn)品冷卻過程中不能有效控制模具溫度，模具內(nèi)部溫度不均衡容易導(dǎo)致產(chǎn)品變形、翹曲、等尺寸問題。

（3）模具制造周期長及模具制造成本高，不能快速從容地應(yīng)對(duì)客戶對(duì)模具日益提高的要求。

2.2 金屬3D 打印解決方案

金屬3D 打印可以為之提供的解決方案有以下幾點(diǎn)

（1）通過3D 數(shù)據(jù)直接打印出模具鑲件內(nèi)部含有隨型水道，水道內(nèi)壁能更好地貼近產(chǎn)品，水道把產(chǎn)品表面的熱量帶走，可以有效地降低冷卻時(shí)間，縮短整個(gè)成型周期，一般生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)可以提高30% 以上。

（2）隨型水路能均衡產(chǎn)品表面的溫度，從而有效防止產(chǎn)品翹曲變形、飛邊、氣泡、砂眼等注塑件常規(guī)質(zhì)量缺陷。

（3）金屬3D 打印讓設(shè)計(jì)自由且可以應(yīng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更改模要求，工藝簡單化了，大大縮短了模具制作周期，減少了多個(gè)制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的制造成本。

對(duì)有些注塑模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有深骨結(jié)構(gòu)，空間壁厚限制了傳統(tǒng)的水路設(shè)計(jì)，導(dǎo)致冷卻周期過長，而采用隨型水路創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以將注塑成型冷卻時(shí)間從35 s 減少至26 s，效率提高了25.7%。同時(shí)，為了更好地降低模具的制造成本還可以采用嫁接打印，也使得模具的總體制作成本降低了42%，應(yīng)用價(jià)值立竿見影。

3 設(shè)備及材料助力模具開發(fā)工藝應(yīng)用

需要通過有水路冷卻的工件就可以考慮采用金屬3D 打印技術(shù)，不斷開發(fā)新的應(yīng)用點(diǎn)，讓更多的產(chǎn)品受益。比如白熾燈代替了燈泡，新技術(shù)的成熟應(yīng)用可以節(jié)約成本，比如早些年熱流道在剛推出的時(shí)候也度過了市場(chǎng)驗(yàn)證和認(rèn)可非常的艱難的時(shí)期。

金屬3D 打印設(shè)備技術(shù)也在不斷提高，從鋪粉回程、刮粉、鋪粉階段速度可調(diào)，單層鋪粉時(shí)間≤8 s，兼顧效率和鋪粉質(zhì)量，有效保障零件打印效率。國內(nèi)市場(chǎng)上已有新研發(fā)的多激光模具打印設(shè)備更是大大提高了打印效率。另外，大層厚打印是提高效率的另一途徑，目前有些國內(nèi)外3D 打印設(shè)備廠商已掌握層厚為100 μm 的打印工藝，最高打印速度可達(dá)單激光50 μm 層厚工藝的2.5 倍，零件相對(duì)密度達(dá)99.99% 以上。模具加工工藝的可靠性將更高，對(duì)于需要嫁接打印或修復(fù)的模具，開發(fā)零件自動(dòng)一體嫁接技術(shù)，使用3D 掃描儀來輔助進(jìn)行金屬件的檢測(cè)和定位，嫁接精度可控制在0.05 mm 以內(nèi)，在能保證復(fù)合制造零件穩(wěn)定性的同時(shí)，從而能大大降低復(fù)雜零件加工成本。

目前打印模具鋼已開發(fā)18Ni300、17-4PH、CX、316L 和H13 等材料，可以用于金屬3D 打印模具的正常使用。

增材制造已經(jīng)不再是簡單的一項(xiàng)工藝或裝備那么單一，而是一個(gè)包括設(shè)計(jì)、軟件、材料、工藝、裝備、價(jià)值鏈、基因組、檢測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)等全方位創(chuàng)新的技術(shù)群。產(chǎn)業(yè)正在不斷轉(zhuǎn)型與升級(jí)，唯有創(chuàng)新才能突破傳統(tǒng)，增材制造的技術(shù)應(yīng)用正在以積淀數(shù)十載之功呼嘯而來，未來必將擁有一席之地。

4 增材制造在模具智造中大有可為

4.1 增材制造應(yīng)用在模具方面

增材制造應(yīng)用在模具方面，主要體現(xiàn)以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：

（1）隨著打印成本的親民，未來基本每套模具都可以采用隨型水路代替?zhèn)鹘y(tǒng)水路冷卻。我們之前做模具設(shè)計(jì)在分模或做模流分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)集中區(qū)域，首先考慮做水井（噴淋管）或者通過Be 銅做鑲件來進(jìn)行冷卻。但是，水井冷卻的方式如果對(duì)于不是圓形結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品同樣存在冷卻不均衡的現(xiàn)象；其次采用Be銅冷卻會(huì)造成Be 銅區(qū)域與周邊鋼材區(qū)域冷卻不均。而往往模具熱量不均衡，調(diào)機(jī)師傅首先會(huì)考慮延長生產(chǎn)周期來進(jìn)行平衡制造。

（2）增材制造的加工特點(diǎn)，可以打印具有透氣鋼的應(yīng)用。注塑生產(chǎn)過程由于模腔和原材料在熔融過程產(chǎn)生氣體需要從模具中排出，如果不能有效排出容易產(chǎn)生燒焦、困氣、走膠不齊，而往往會(huì)考慮采用排氣鋼。但是傳統(tǒng)有局限，因?yàn)椴捎昧伺艢怃撹偧?，這個(gè)區(qū)域就會(huì)有不能設(shè)計(jì)水路的尷尬。這就會(huì)造成透氣鋼的局部溫度過高，從而引發(fā)產(chǎn)品的外觀不良；另外傳統(tǒng)透氣鋼容易發(fā)生堵塞，需要經(jīng)常拆下來維修清洗，使生產(chǎn)停機(jī)的時(shí)間過長，不能保證連續(xù)生產(chǎn)?，F(xiàn)在可以采用3D 打印透氣一體件，有傳統(tǒng)沒有的優(yōu)點(diǎn)它可以通過調(diào)整參數(shù)來達(dá)到透氣鋼的不同致密度，即能保證透氣性要求，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)氣道，在生產(chǎn)保養(yǎng)的過程中，通過反吹氣來保證氣道不會(huì)堵塞，也可以保證連續(xù)生產(chǎn)。另外可以在非透氣區(qū)域設(shè)計(jì)冷卻水路，確保透氣鋼的溫度與周邊模具鋼材的溫度一致。

（3）因?yàn)樵霾闹圃炜梢灾圃旃ぜ?nèi)部復(fù)雜的異型結(jié)構(gòu)，可以延伸很多技術(shù)應(yīng)用。傳統(tǒng)對(duì)于一些有表面孔特征非常多的產(chǎn)品或一些外觀需要達(dá)到高光無痕的產(chǎn)品，一般需要采用急冷急熱技術(shù)，即注塑充填是切換到熱蒸汽，在充填完成后切換到冷卻水，而這種方法最直接的影響是需要投資急冷急熱設(shè)備，費(fèi)用昂貴注塑成本增加。而采用增材制造的急冷急熱技術(shù)，我們既可以達(dá)到急冷急熱技術(shù)的效果，也可以達(dá)到控制成本的目的。它的原理是在靠近產(chǎn)品的區(qū)域做一層隨形的加熱電圈，在電圈的外面設(shè)計(jì)一層冷卻水路，注塑充填時(shí)電圈通電加熱，注塑充填完成后停止加熱，外層的隨型冷卻水路保證模具能夠迅速冷卻，從而達(dá)到急冷急熱的效果，兩全其美。

在制造業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)的今天，增材制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用更具有優(yōu)勢(shì)，也為傳統(tǒng)制造業(yè)找到了新的亮點(diǎn)，而非對(duì)傳統(tǒng)模具行業(yè)產(chǎn)生沖擊，為模具行業(yè)帶來的機(jī)會(huì)和新思路才是更值得我們關(guān)注。對(duì)于生產(chǎn)開始后可能進(jìn)行設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致模具重復(fù)修改，增材制造技術(shù)更能靈活地快速設(shè)計(jì)和迭代，滿足日益創(chuàng)新的產(chǎn)品應(yīng)用體驗(yàn)；增減材制造完美融合、取長補(bǔ)短。

模具被稱為“工業(yè)之母”，是工業(yè)生產(chǎn)的基石。三十年的發(fā)展使中國成為世界模具制造及消費(fèi)大國，建立起了模具工業(yè)體系，2016年中國的模具產(chǎn)能達(dá)到2 400 億元，銷售額約1 800 億元；中國模具工業(yè)保持著穩(wěn)步發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)一步加快和提質(zhì)增效前景明朗可期的局面。

模具行業(yè)之所以稱之為工業(yè)之母，因?yàn)楦鱾€(gè)制造業(yè)領(lǐng)域都與其可能有關(guān)系。制造業(yè)對(duì)模具的依賴度比較高。在加工零部件方面，制造模具能夠提供高度可靠的產(chǎn)品，同時(shí)也有價(jià)格昂貴和耗時(shí)長的不足。某些前沿領(lǐng)域的模具制造企業(yè)已經(jīng)開始尋找有效的替代方式，增材制造（3D 打?。┲谱髂＞叱蔀榱藢?duì)模具制造企業(yè)很有吸引力的方案，尤其對(duì)于形狀復(fù)雜且小批量生產(chǎn)的模具。

5 攻堅(jiān)克難模具行業(yè)目前所面臨的瓶頸問題

傳統(tǒng)模具制造主要是制造周期長和制造成本高兩個(gè)方面，而增材制造技術(shù)能夠有效縮短整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)周期；增材制造技術(shù)可以降低模具的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，使現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工具能夠進(jìn)行快速更新，加快產(chǎn)品開發(fā)速度并且提高靈活性。

增材制造技術(shù)加工的模具鑲件在降低注塑周期上具有降本優(yōu)勢(shì)，針對(duì)某些特定復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具優(yōu)勢(shì)更加明顯。尤其是在使用昂貴材料時(shí)，例如鈦合金等貴金屬，傳統(tǒng)模具制造技術(shù)會(huì)導(dǎo)致材料報(bào)廢率很高，這時(shí)增材制造的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更加凸顯。

此外，增材制造技術(shù)的直接成型對(duì)模具制造流程縮短產(chǎn)生的利潤，帶來了積極的影響，對(duì)于經(jīng)常需要設(shè)計(jì)變更的產(chǎn)品，可以減少模具設(shè)計(jì)修改導(dǎo)致的前期成本浪費(fèi)。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)一般由直孔或斜孔水道構(gòu)成，其形狀無法均勻貼近型腔表面，易造成冷卻不均且效率低，有些結(jié)構(gòu)（如高長細(xì)的鑲件）甚至無法加工水道。隨型腔結(jié)構(gòu)變化的隨型冷卻水道可極大地提升冷卻效率和均衡性，利用機(jī)加工和電火花等傳統(tǒng)工藝無法制造。有時(shí)為了滿足復(fù)雜模具高效冷卻的需求，往往需加工Be 銅鑲件以滿足局部冷卻要求，但增加了模具的制造周期和成本。因此，高性能模具制造亟需尋求新的加工方法。

增材制造的模具或鑲件應(yīng)用后，注射和冷卻時(shí)間明顯縮短，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模具冷卻塑件容易產(chǎn)生的品質(zhì)缺陷從而得到抑制和改善。

模具制造工藝直接影響其批量生產(chǎn)模具的使用效果，尤其是冷卻系統(tǒng)對(duì)其壽命、效率和產(chǎn)品質(zhì)量影響至關(guān)重要?，F(xiàn)有冷卻系統(tǒng)大多由直孔水道構(gòu)成，其形狀無法均勻貼近型腔表面，易造成冷卻不均且效率低。隨型腔形狀變化的隨型冷卻系統(tǒng)可極大地提升冷卻效率和均勻性，但采用機(jī)加工無法制造。增材制造基于材料疊加原理，將復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)分解為若干二維制造，恰好可解決隨型冷卻水道的制造難題。金屬增材制造特殊的制造工藝在成形精度、表面質(zhì)量及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力方面更具優(yōu)勢(shì)。根據(jù)這些年在金屬3D 打印模具市場(chǎng)看到，帶有隨型冷卻水路的模具冷卻效率比傳統(tǒng)提高30% 以上，且明顯減小塑件的變形程度，使模具在注塑、壓鑄、鍛造等中具有廣泛的應(yīng)用前景。

模具是基礎(chǔ)工藝裝備，汽車、3C 等支柱產(chǎn)業(yè)中60%～80% 的零部件靠模具成形。模具制造工藝直接影響其使用效益，所以模具的冷卻系統(tǒng)對(duì)模具整體壽命、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都是至關(guān)重要的；有效解決目前模具行業(yè)的幾個(gè)瓶頸問題。

6 正視增材制造本身技術(shù)問題積極同傳統(tǒng)制造相融共生

增材制造金屬模具仍然面臨“材料種類少、應(yīng)力開裂嚴(yán)重和性能一致性差” 的突出問題，制約了該項(xiàng)技術(shù)在模具領(lǐng)域的大范圍普及應(yīng)用。

未來在該領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）適合增材制造工藝和模具性能要求的金屬材料，以S136、H13 模具鋼為成形材料，就需弄清合金關(guān)鍵元素Cr、Mo、V、Si 對(duì)于增材制造冶金質(zhì)量及模具性能的影響規(guī)律，氣霧化制粉等制備工藝對(duì)增材制造冶金質(zhì)量及模具性能的影響規(guī)律。

（2）基于增材制造工藝的模具隨型水道設(shè)計(jì)規(guī)則同模流仿真分析有機(jī)結(jié)合，另外還需弄清水道截面形狀、尺寸及變截面水道等尺寸因素對(duì)冷卻效果的影響規(guī)律，水道空間布置、多路水道并行布置對(duì)冷卻效果的影響規(guī)律。

（3）隨型水道+ 排氣通道一體件，致密型體多工藝結(jié)構(gòu)一體化增材制造工藝。

（4）除了冷卻水道外，模具還包括排氣通道和異形澆口等難制造結(jié)構(gòu)，可利用增材制造在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域致密度可調(diào)、性能可控的多工藝結(jié)構(gòu)一體化制造。

模具制造過程中，增材制造和傳統(tǒng)減材制造工藝相互交替可以得到更好更精密的工件。

7 總結(jié)

目前越來越多的供應(yīng)鏈加入到模具增材制造行業(yè)當(dāng)中，慢慢形成一個(gè)完善的供應(yīng)體系。針對(duì)前文提到的金屬3D 打印模具還沒有大面積爆發(fā)的幾個(gè)關(guān)鍵原因，對(duì)于設(shè)備商來說，后續(xù)會(huì)在加工速度上進(jìn)行研究并有進(jìn)一步的提升；對(duì)于原材料供應(yīng)商來說，原材料制造技術(shù)的提升和降價(jià)是一個(gè)必然的市場(chǎng)趨勢(shì)。

這些年來，我國增材制造技術(shù)發(fā)展迅猛，體現(xiàn)在非金屬和金屬兩大方面著實(shí)為制造業(yè)帶來了許多新的變革，許多行業(yè)受到了增材制造技術(shù)顛覆性影響。其中，模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要裝備工具，其制造水平直接體現(xiàn)在產(chǎn)品的質(zhì)量、效益、新產(chǎn)品的研發(fā)能力上。

政府工作報(bào)告指出，要實(shí)施“中國制造2025”，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展。在這一轉(zhuǎn)變和時(shí)代科技變革中，智能制造是主攻方向。增材制造產(chǎn)業(yè)具有廣闊前景，必將引領(lǐng)新一輪的制造技術(shù)革命。在新一輪的技術(shù)革命中，增材制造技術(shù)將會(huì)扮演令人非常矚目的角色，也必將引領(lǐng)世界模具制造進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。