孫建麗

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610100）

3D打印技術(shù)也被稱之為增材制造技術(shù)，是集數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、機(jī)械技術(shù)以及材料技術(shù)等于一體的新型成型技術(shù)。3D打印是快速成型技術(shù)中的關(guān)鍵，也是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要趨勢。3D打印能夠在實(shí)驗(yàn)室、家庭以及企業(yè)等多種不同的環(huán)境中應(yīng)用，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，促進(jìn)了我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展水平的提高，能夠促進(jìn)各種行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)能夠基于傳統(tǒng)平面印刷技術(shù)，通過噴頭一層層將材料在平臺(tái)上進(jìn)行堆疊，通過新型打印材料打印工藝和軟件控制，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)物3D打印[1]。3D打印技術(shù)包括三維軟件建模，如通過CAD軟件快速建模可以提高對軟件處理的效率，同時(shí)增強(qiáng)3D建模的質(zhì)量。后分層可以將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)，沿著平面被切割成不同切片，且每一個(gè)切片都記錄著3D打印信息。分割切片越多，產(chǎn)品尺寸精度越高，甚至更接近于原始數(shù)據(jù)。但是，分層與打印機(jī)設(shè)備質(zhì)量和打印材料具有密切關(guān)聯(lián)。打印中通過讀取3D圖片信息，能夠?qū)⒁后w、膠凝狀以及粉末狀材料組合，根據(jù)不同形狀的分層噴涂材料，最終形成三維產(chǎn)品，如圖1所示[2]。

圖1 3D打印

2 我國塑料模具技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

因模具材料及熱處理工藝、模具制造工藝的限制，我國在交貨期、模具質(zhì)量和壽命方面與國外相比還有一定的差距[3]。目前，汽車保險(xiǎn)杠、洗衣機(jī)桶等大型模具我國已能自主設(shè)計(jì)制造。據(jù)報(bào)道，我國最大的注射模具單套質(zhì)量已超過50 t。此外，我國已能生產(chǎn)塑件精度很高的精密模具，最精密的注射模具精度可達(dá)2 μm?？傮w來說，低端模具占有很大比例，一些特別復(fù)雜的精密、先進(jìn)的高端模具仍需進(jìn)口。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對塑料產(chǎn)品的要求越來越高，因此塑料模具勢必朝著精度更高、壽命更長、效率更高的方向發(fā)展。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，可以將3D打印技術(shù)應(yīng)用于塑料模具設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，縮短新型模具的開發(fā)周期，突破注射模具利用傳統(tǒng)加工方法無法解決的一些技術(shù)壁壘。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)與普及可以為模具設(shè)計(jì)、制造提供全新的思考方向[4]。

3 3D打印技術(shù)在注射模設(shè)計(jì)與制造技術(shù)中的應(yīng)用

3.1 新產(chǎn)品及新模具的開發(fā)

對于技術(shù)復(fù)雜的新型超多腔模具，開發(fā)時(shí)往往需要先制造一副單腔模，在單腔模調(diào)試沒有問題的情況下再制造多腔模。應(yīng)用傳統(tǒng)模具制造方法，需將除標(biāo)準(zhǔn)件以外的零件一一加工好后進(jìn)行裝配、試模。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具零件加工的時(shí)間較長，延長了模具的開發(fā)周期。此時(shí)，可以結(jié)合3D打印技術(shù)，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳統(tǒng)加工方法不易加工的零件用3D打印技術(shù)加工，縮短模具開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)的整體靈活性。3D打印流程，如圖2所示。

圖2 3D打印流程

3.2 新型冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

一個(gè)完整的注射成型周期包括塑化、合模、注射、保壓、冷卻和開模取件6個(gè)環(huán)節(jié)，其中冷卻環(huán)節(jié)時(shí)間占整個(gè)成型周期的2/3以上。所以，要提高生產(chǎn)效率、縮短成型周期的最好辦法是縮短冷卻時(shí)間，提高冷卻效率。模具的冷卻系統(tǒng)越貼近產(chǎn)品的表面，其與塑件的形狀越一致，冷卻效率越高。但是，限于傳統(tǒng)加工技術(shù)工藝以及避免和推桿孔干涉，很難做到冷卻水路和產(chǎn)品形狀一致，致使冷卻效率低。因?yàn)槔鋮s水道距離產(chǎn)品表面距離不一致，產(chǎn)品存在冷卻盲區(qū)，導(dǎo)致產(chǎn)品冷卻不均勻，引發(fā)翹曲變形、內(nèi)應(yīng)力大等質(zhì)量問題。不管是從提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率還是從提高產(chǎn)品質(zhì)量上來講，設(shè)計(jì)制造新型的隨形水路勢在必行。研究表明，在某型號(hào)凈水器濾瓶蓋注射模研究中，對傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)和隨形冷卻系統(tǒng)的冷卻效果行分析對比，結(jié)果與傳統(tǒng)冷卻水路相比，隨形水路冷卻方案的冷卻效率提高了28.2%，周期內(nèi)模具溫度分布均勻性提高了40.6%，冷卻結(jié)束時(shí)模具溫度分布均勻性提高了87.7%，產(chǎn)品表面溫度均勻性提高了87.1%[5]?？梢姡S形水路能有效改善冷卻效果，顯著提升冷卻效率和生產(chǎn)效率，具有很大的冷卻優(yōu)勢。在關(guān)于某大型盒狀產(chǎn)品后蓋模具研究中，對傳統(tǒng)水路和隨形水路的冷卻結(jié)果進(jìn)行對比，隨形水路的冷卻效率比傳統(tǒng)水路提高了35.64%，產(chǎn)品表面溫度分布均勻性提高了24.95%。同時(shí)，對傳統(tǒng)水路和隨形水路的尺寸穩(wěn)定性和翹曲變形結(jié)果進(jìn)行對比，隨形水路比傳統(tǒng)水路的X和Y方向的最大位移分別改善了39.77%和51.71%，翹曲變形減小了35.09%。這些研究說明，隨形水路能夠顯著提高冷卻效率和冷卻均勻性，提高塑件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

4 3D打印技術(shù)應(yīng)用于注射模領(lǐng)域存在的問題

4.1 費(fèi)用高，難以普及

目前，金屬材料3D打印都是以克為單位計(jì)價(jià)的，市場上一般每克5元起價(jià)。價(jià)格偏高導(dǎo)致3D打印技術(shù)難以應(yīng)用于一般的注射模具，只可應(yīng)用于高端、附加值高的注射模具或者質(zhì)量要求特別高的塑件。此外，其他冷卻形式難以保證其質(zhì)量時(shí)，使用3D打印的隨形冷卻系統(tǒng)。

4.2 3D打印注射模具隨形水路滲水

因3D打印費(fèi)用高昂，目前業(yè)界只用3D打印技術(shù)制造模具零件的關(guān)鍵部分，底座部分仍用傳統(tǒng)的加工方法加工，然后將二者連接起來形成一個(gè)模芯，二者連接處存在滲水問題。目前，3D打印技術(shù)仍處于研究發(fā)展階段，可選擇的模具鋼材料有限，材料本身的性能、3D打印參數(shù)的設(shè)定都會(huì)影響模具零件的質(zhì)量，導(dǎo)致滲水情況的出現(xiàn)。

4.3 難以保證模具零件的機(jī)械強(qiáng)度

因3D打印可選擇的模具材料有限及其本身的加工方法，業(yè)界一直認(rèn)為3D打印的模具零件機(jī)械強(qiáng)度不及傳統(tǒng)加工方法加工的模具零件，所以不宜用于長壽面的模具。但事，部分企業(yè)認(rèn)為3D打印的模具零件和傳統(tǒng)方法加工的模具零件機(jī)械強(qiáng)度不相上下，硬度能達(dá)到48～52 HRC。

4.4 模具的尺寸有限制

目前，最大的3D打印機(jī)是大連理工大學(xué)教授堯山和他的團(tuán)隊(duì)在2013年設(shè)計(jì)和開發(fā)成功的，工作面尺寸為1.8 m×1.8 m，但是不滿足制造大模具產(chǎn)業(yè)要求的方法。與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相比，3D印刷還有很多局限，尚無法完全取代傳統(tǒng)模具制造技術(shù)的方法，需進(jìn)一步開展研究。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)水平的大幅提高，塑料注射模具行業(yè)迎來了新的生機(jī)。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于塑料注射模具領(lǐng)域，可以縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，大幅度提高塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。盡管3D打印技術(shù)在塑料模具領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段，但隨著技術(shù)的發(fā)展和新材料的開發(fā)，3D打印技術(shù)在注射模具領(lǐng)域中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。