鄧平堯

（九江職業(yè)大學(xué)，江西 九江 332000）

就現(xiàn)如今的情況來(lái)看，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行制造的這一過(guò)程大多需要依靠模具的制造這一技術(shù)，現(xiàn)在的工業(yè)產(chǎn)品基本上60%～90%需要依靠模具去進(jìn)行加工[1-2]。模具制造這一技術(shù)很大程度上將生產(chǎn)的速率進(jìn)行了大幅度的提升，也促進(jìn)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代進(jìn)程的發(fā)展。但是模具制造這一技術(shù)同樣也存在著一定的不足，通常來(lái)說(shuō)對(duì)模具進(jìn)行開(kāi)發(fā)的技術(shù)方面難度非常大，且隨著零件外觀的變化，對(duì)模具進(jìn)行制造時(shí)的難度也會(huì)有所不同，越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，對(duì)其相應(yīng)模具進(jìn)行制造的難度就越大。為此需要考慮到市場(chǎng)方面風(fēng)險(xiǎn)的影響，且對(duì)模具進(jìn)行加工需要對(duì)生產(chǎn)的量進(jìn)行保證，進(jìn)而使產(chǎn)品生產(chǎn)的成本能夠降低。

3D打印技術(shù)也可以被稱為增材制造技術(shù)，其能夠與傳統(tǒng)制造的一些方法進(jìn)行相互的補(bǔ)充。隨著3D打印這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模具制造行業(yè)也出現(xiàn)了非常重大的突破以及改革。3D打印機(jī)其工作原理類似于噴墨打印機(jī)的工作原理，但是3D打印機(jī)使用的材料是蠟、粘結(jié)劑、樹(shù)脂或者是塑料。按照3D打印機(jī)其使用材料的不同，其可以被分為熔融沉積的成形、熔融蠟的打印技術(shù)以及粘結(jié)劑的打印技術(shù)等。盡管這些3D打印的技術(shù)其種類不同，但是基本的技術(shù)成形方面的原理大致類似，即使用CAD軟件建模，將模型分層切片，之后再利用3D打印機(jī)逐層去打印，進(jìn)而打印出三維的實(shí)體。

1 快速模具技術(shù)

3D打印這項(xiàng)技術(shù)由于材料方面的限制，其一些成形了的實(shí)體很難形成最終產(chǎn)品。為此，可以將把3D打印與模具制造這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，創(chuàng)造出一個(gè)全新的技術(shù)，也就是快速模具的技術(shù)[3]。

快速模具大致有硬質(zhì)的模具以及軟質(zhì)的模具、直接制造的模具以及間接制造的模具這兩種分類方式。軟質(zhì)模具的主要原料是環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠、模具砂以及低熔點(diǎn)的合金，這類型的模具大多適用于小批量的生產(chǎn)過(guò)程；硬質(zhì)模具主要以工具鋼為原料而制成，這類型的模具大多適用于大批量的生產(chǎn)。直接制造的模具即只需要3D打印就可以直接獲得模具；間接制造的模具即只有母模這一部分是利用3D打印得到，由環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠、陶瓷或者是低熔點(diǎn)金屬等材料制作而成的模具，需要利用母模去進(jìn)行澆鑄而形成 。

2 3D打印技術(shù)以及模具制造技術(shù)在應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的異同

3D打印與模具制造這兩個(gè)技術(shù)其目的都是要對(duì)原材料進(jìn)行加工進(jìn)而形成實(shí)體零件，但這兩種技術(shù)在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程有許多的差異[4]。以圖1所示的零件進(jìn)行加工的過(guò)程為例，對(duì)這兩種不同的加工技術(shù)進(jìn)行分析。

圖1 零件進(jìn)行加工過(guò)程

2.1 3D打印的技術(shù)

利用3D打印這項(xiàng)技術(shù)去制造模具大致可以分為下面3個(gè)步驟：分析接單、利用軟件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)換打印。整個(gè)過(guò)程的主要原理是以零件圖為依據(jù)，利用計(jì)算機(jī)去進(jìn)行三維設(shè)計(jì)進(jìn)而設(shè)計(jì)出模型的造型（見(jiàn)圖2），之后再進(jìn)行斷層掃描進(jìn)而使整個(gè)三維造型被無(wú)限的切成疊片，分片打印，最后再將所有的片進(jìn)行疊加組合成為一個(gè)立體的物體。

圖2 模型造型

以之前所舉的例子進(jìn)行分析，這個(gè)過(guò)程的工作原理大致是，首先撒上一層進(jìn)行打印時(shí)需要用到的粉末狀材料，并利用噴嘴使黏合劑能夠噴在相應(yīng)的需成型區(qū)域，使粉末狀材料之間黏接，進(jìn)而組成零件的截面，之后再不斷地對(duì)鋪撒粉末狀材料、黏接這一過(guò)程進(jìn)行重復(fù)，將所有截面層層疊加就可以得到最終的零件。相比那些傳統(tǒng)制造的工藝，這一種數(shù)字化的制造方式具有無(wú)需眾多人力和復(fù)雜工藝、加工的材料少以及生產(chǎn)的周期短等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 傳統(tǒng)的模具制造

傳統(tǒng)的對(duì)模具進(jìn)行制造這一過(guò)程就是在接單之后評(píng)審接單的項(xiàng)目，如果評(píng)審過(guò)關(guān)了就可以制定相應(yīng)生產(chǎn)進(jìn)度的表，之后利用3D軟件進(jìn)行模流分析、修正、確定進(jìn)料點(diǎn)和分型線，最后將設(shè)計(jì)交給客戶進(jìn)行確認(rèn)、定稿，如果客戶對(duì)設(shè)計(jì)滿意就可以將零件圖確定下來(lái)，并進(jìn)入加工流程。對(duì)加工流程進(jìn)行分析之后，我們可以發(fā)現(xiàn)利用傳統(tǒng)的模具制造方式進(jìn)行加工具有著需要物力和人力過(guò)多、生產(chǎn)的周期太長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

3 3D打印技術(shù)在進(jìn)行模具制造時(shí)具有的優(yōu)點(diǎn)

3.1 成本低

使用3D打印這項(xiàng)技術(shù)雖然在進(jìn)行金屬制造方面的工作會(huì)有較高的成本投入，但在塑料制造方面的成本投入?yún)s相對(duì)來(lái)說(shuō)較少。因?yàn)橐恍┎牧掀浔旧淼某杀揪头浅８?，如果使用這些材料并利用傳統(tǒng)的制作方法去加工模具的話，即使只是出現(xiàn)了一點(diǎn)小小的失誤，也可能會(huì)使得材料報(bào)廢，加大模具制造的成本，非常的得不償失。但如果利用3D打印這項(xiàng)技術(shù)去制造模具，由于3D打印具有的靈活性能可以讓工程師能夠進(jìn)行多次迭代，同時(shí)減少由于修改模具的設(shè)計(jì)而帶來(lái)的成本，對(duì)模具生產(chǎn)的過(guò)程具有非常積極的影響，并使模具制造的成本能夠顯著降低[5]。

3.2 縮短生產(chǎn)周期

3D打印這項(xiàng)技術(shù)能夠利用計(jì)算機(jī)去進(jìn)行三維的設(shè)計(jì)并將其轉(zhuǎn)化變成實(shí)物的模型，這樣一個(gè)過(guò)程具有自動(dòng)、效率高、快速、精確以及直接等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而可以使得模具的生產(chǎn)周期大大地縮短。利用3D打印這種技術(shù)去制造模具，可以在短短的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就完成制造模具的相關(guān)過(guò)程，這可以被認(rèn)為是使模具實(shí)現(xiàn)從平面圖轉(zhuǎn)化為實(shí)體的一個(gè)飛躍。使用傳統(tǒng)的方式制造模具需要在前期進(jìn)行大量資金的投入才能使得模具后期制作的質(zhì)量能夠保證，因此在進(jìn)行實(shí)際的模具制造過(guò)程中，需要對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行嚴(yán)格討論，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量方面的問(wèn)題，就需要為了使損失減少而推遲或者是放棄對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及更新。但如果是采用3D打印這項(xiàng)技術(shù)去制造模具，就可以很好地促進(jìn)企業(yè)更新?lián)Q代的進(jìn)程，推動(dòng)企業(yè)的發(fā)展。

3.3 為產(chǎn)品未來(lái)的發(fā)展方向提供更多可能性

隨著對(duì)3D打印這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步使用，可以利用其將計(jì)算機(jī)中任一形狀的三維圖形轉(zhuǎn)化實(shí)物的產(chǎn)品，在這樣一個(gè)過(guò)程中可以減少對(duì)于機(jī)床、刀具以及夾具等機(jī)械零件的使用。且由于我國(guó)相關(guān)的技術(shù)水平的不斷提高，以及材料種類的增加，我國(guó)3D打印的技術(shù)開(kāi)始朝著多元化這一進(jìn)程發(fā)展，促進(jìn)了我國(guó)在3D打印這項(xiàng)技術(shù)方面水平的持續(xù)提升，也推動(dòng)了我國(guó)未來(lái)的更好發(fā)展。

4 3D打印技術(shù)在進(jìn)行模具制造時(shí)的不足

4.1 模具的力學(xué)性能難以得到保證

力學(xué)性能作為零件的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其為零件的設(shè)計(jì)、選材、使用壽命以及失效分析等都提供了重要依據(jù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因?yàn)椴牧系氖Ф鴰?lái)的經(jīng)濟(jì)損失大概在發(fā)達(dá)國(guó)家的年度生產(chǎn)總值中占4%，而航空工業(yè)方面的材料失效在整個(gè)材料失效重占據(jù)了5%，由此我們可以得知零件的力學(xué)性能的重要程度。為了保證零件能夠具有規(guī)定的力學(xué)性能，傳統(tǒng)數(shù)控切削這一加工過(guò)程會(huì)在生產(chǎn)時(shí)花大量時(shí)間去對(duì)零件做熱處理和時(shí)效等有關(guān)處理。但是3D打印這項(xiàng)技術(shù)卻不具備這一過(guò)程，因此利用其得到的零件其力學(xué)的性能方面很難得到保證。

4.2 模具的尺寸受到限制

目前最大的3D打印機(jī)是由大連理工大學(xué)的姚山教授及其所在團(tuán)隊(duì)于2013年成功設(shè)計(jì)和研制出來(lái)的，其工作面的尺寸為1.8 m×1.8 m，但遺憾的是這依舊沒(méi)有辦法滿足在工業(yè)上對(duì)制造大型模具方面的要求。

3D打印這項(xiàng)技術(shù)相比于傳統(tǒng)模具制造的技術(shù)還存在優(yōu)點(diǎn)以及不足，因此其目前還沒(méi)有辦法完全取代傳統(tǒng)的模具制造的技術(shù)。但是隨著我國(guó)有關(guān)技術(shù)方面的水平在顯著提升，我國(guó)的3D打印這項(xiàng)技術(shù)也會(huì)跟隨著時(shí)代的腳步而不斷進(jìn)步，進(jìn)而促進(jìn)模具制造這一行業(yè)能夠高速、可持續(xù)地發(fā)展。由此看來(lái)，3D 打印這項(xiàng)技術(shù)在模具的設(shè)計(jì)以及制造領(lǐng)域具有的前景非常廣闊。