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基于3D 打印技术的模具制造

2015-2-20 来源：西安航空职业技术学院作者：王波，王仙萌

摘要：本文以某限位块模具型芯为例，利用生产浪费最小、能量消耗最低、污染排放最小的3D 打印技术理念生产制造，打破了传统的模具设计与制造方法，从而可以实现绿色模具和快速模具制造。

0 、3D 打印概述

2012 年3 月，美国为复苏本国实体经济，重振制造业的全球竞争力，奥巴马总统提出建立全美制造业创新网络计划，3D 打印被确定为主要发展方向。2012 年4 月，英国《经济学家》（The Economist）发表了一篇名为《第三次工业革命》的论述文章，认为3D 打印与其他数字化生产模式一起促进第三次产业革命的实现，并称之为“未来制造业发展的必然趋势” 。从此，3D 打印技术异军突起，风靡全球。

3D 打印技术又称“增材制造”（Additive Manufacturing）技术。是一种基于计算机辅助设计的、主要采用逐层叠加制造方式将材料紧密结合在一起的工艺，可谓是一种颠覆传统的材料加工方法。1984 年，美国人查尔斯赫尔（Charles Hull）发明了立体光刻技术，可用于打印3D 模型，至今已有30 年的发展历程。该技术在工业制造、生物医疗、国防军工、航天航空、建筑工程、艺术设计等多个领域都得到了应用。如西北工大采用3D 打印技术，为中国的大飞机C919 制造了3m 长的钛合金部件；Krishna 等人采用合金制备了多孔生物植入体；K.N.Amato 等人利用Co 基高温合金矩阵颗粒制备了柱状碳化物沉积结构；美国时装设计师和3D 打印领域的专家利用3D 打印技术“制造”世界上第一款3D 打印的泳衣，等。

图1 某限位块模具型芯三维模型

1 、3D 打印原理首先，利用CAD软件（如Pro/E）进行建模，如图1 所示为某限位块模具型芯的三维模型，并将建立的3D模型沿着Z 轴进行分层，即分割成很多个薄片，每一层对应一个二维打印图案信息，再利用3D打印机在一个平面上按照CAD 图形层，将金属、塑料甚至生物活性细胞组织[10]等材料黏合在一起，然后再逐层叠加打印，通过一层一层不同二维图形的累积，最后形成一个三维模型。如图2 所示，网格部分是XY 平面，可以看做二维图案，3D 打印设备反复在XY 平面上打印并沉淀材料，并沿Z 轴方向移动，最后即可得到限位块模具型芯制品。可见，3D 打印必须先建立所要打印物体的三维模型，然后借助于喷墨印刷中的喷头，将成型材料一层层喷在基材上而形成三维图案。3D 打印工作流程如图3 所示。

图2 3D 打印原理图

1.1 3D 建模

3D 打印的首要条件是建模。根据用户提供的产品工程图，选择合适的3D 软件进行建模设计，设计出的实体模型相当于二维打印的“原稿”。3D 打印的质量由3D 建模质量决定，因此3D 打印是建立在计算机辅助设计（CAD）技术基础之上的。几乎所有的3D 建模软件都可以实现建模，在建模过程中可以使用Pro/E、SolidEdge、AutoCAD 等矢量建模软件完成。

当然，在整个产品建模过程中，必须严格按照产品的工程图，保证设计完全正确，最终3D 打印机是严格按照建模的数据生产制造。

1.2 数据分割

将3D 模型进行三维数据向二维数据的转换，即把整个3D 模型沿XY 平面切割成若干个二维薄片，每一个薄片的厚度由打印机自身的精度决定，当然与选择的制作材料也有关，厚度一般从几十μm到几百μm 之间。理论上说，分割的层数越多，打印出的产品尺寸就越接近于原始设计数据。整个数据分割都是由软件系统根据所设的参数自动完成的，相当于二维打印机的驱动程序。

1.3 3D 打印

3D 打印过程类似于喷墨打印机的工作过程，所不同的是喷墨打印机逐行喷绘完整图案时即结束工作，可看到喷嘴中喷出的材料形成的二维图形，而3D 打印机在完成了第一层喷绘后会在其基础上进行第二层喷绘，喷绘的层数是根据数据分割二维薄片的层数决定的。由此可见，3D 打印实际是利用材料自身厚度经逐层堆积后形成的三维产品，各层之间的结合一般是靠喷嘴中喷出的胶水来粘接，故打印时可看到喷一层材料粉末，再喷一层胶水的工艺过程。

1.4 后处理

打印结束后，还需要对打印好的实体产品进行后处理，后处理工艺一般包括固化处理、剥离、模型的修整、上色等，最终打印出真正的模型制品。

2 、3D 打印的特点

3D 打印技术对传统的加工制造业带来了强烈冲击，与传统加工制造业相比，3D 打印具有传统加工制造所不具备的优势。（1）加工精度高。自1984 年美国人Charles Hull发明立体光刻技术以来，经过30 年的发展，3D 打印技术在精度上提高很快，目前一般的3D 打印成型精度基本可控制在0.3mm 以下。比如3D System公司的Projet SD 6000/7000 最高成型精度可达0.025mm～0.05mm。

（2）加工周期短。传统加工制造一般要经过模具设计、模具制作、制作模型、修整等工序，周期长。而3D 打印不用专门制作模具，直接根据3D 建模数据来生成实体，并且对于外形复杂且无法用传统加工方式加工的制件均可实现，大大提升了产品生产效率，缩短了生产周期。

（3）个性化生产。个性化产品通常为单件小批量生产，传统生产工艺成本高，周期长。3D 则满足了个性化需求，而且时效性强。同时，3D 打印也适合新产品样品的生产，对于样品的进一步开发研究有很大促进作用。

（4）加工材料多。经过30 年的不断发展，3D 打印技术已实现了金属、塑料、陶瓷、石料、尼龙、高分子材料等常见材料的加工，从而把3D 打印技术应用于不同的领域。

（5）加工成本低。传统加工生产的成本除在人力和设备资源上外，还要经过若干道工序或设备相互配合，但3D 打印免去了大量的人力和设备，一个人利用一台打印机把所有工序全部完成，甚至可一人同时操作多台设备，可以实现无人车间。虽然目前3D 打印材料比较贵，但如果用来生产个性化产品，其制作成本相比较就会降低。随着新材料不断涌现，未来成本下降将是一种趋势。

3 、模具型芯的3D 打印

3D 打印已发展到十余种工艺方法，如光固法（SLA）、激光烧结法（SLS）、喷粒法（BPM）、掩层叠法（LOM）、模固化法（SGC）、熔融沉积法（FDM）等，本次采用熔融沉积法（FDM）进行加工。熔融沉积（Fused Deposition Modeling，简称FDM）又叫熔丝沉积，是将丝状热熔性材料熔化，通过喷头喷出熔化材料，喷头可沿XY 平面移动，按分层截面形状沉积在底板上，根据分层多少逐层加工，最后加工出所需零件。熔融沉积法的优点是成型材料成本低，无异味，成型零件机械性能较好，强度较高；缺点是成型精度不高，不宜制作复杂精细结构。

图4 HTS-300 快速成型机

3.1 所用设备情况

选用HTS-300 快速成型机，如图4 所示，它是由龙门式机架，可沿Y 方向移动的工作台、可沿X方向与Z 方向移动的成形头、控制系统与送丝机构等组成，其系统原理图如图5 所示。其中，步进电机同时驱动连接成形头内的螺杆和送丝机构，当步进电机获得外部计算机指令后，驱动螺杆，同时，又通过齿轮传动将塑料丝通过送料辊送入成形头，在成形头中的电热棒会将塑料丝加热呈熔融状态，靠螺杆的挤压下，通过铜质喷嘴涂覆在工作台上。与此同时，外部计算机将导入的三维模型沿高度方向进行分层切片，将每一层的轮廓数据传输给控制系统，此系统驱动工作台与成形头沿XY方向做合成运动，从而使涂覆并凝固在工作台上的塑料形成工件相应的截面轮廓。完成一层的涂覆后，成形头上升一个截面层的厚度（通常约为0.1mm~0.2mm），然后重复进行下一个截面轮廓的涂覆，直至完成整个工件的成形。