3D打印与模具_3d打印与模具

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3D打印技术与模具

摘要：3D 打印技术作为一种快速成型技术迅猛发展，关键词：关键词；关键词；关键词；关键词

前言

3D 打印技术，又称增材制造技术或 3D 快速成型技术，起源于 20 世纪 80 年代，是一种以数字模型文件为基础，采用离散材料(液体、粉末、丝、片、板等)，通过逐层累加的方式来制造任意复杂形状物体的技术。近两年来，3D 打印技术作为一项前沿性的先进制造技术迅猛发展，并且正迅速改变着人们的生产生活方式，在工业制造、生物医学、建筑制造、文化艺术等领域逐步发挥了重要的作用。随着 3D 打印技术的飞速发展，其逐渐在实验室、企业、家庭等领域应用，在加工曲面时，具有其他成型加工方法难以比拟的优势，制造过程中所需的原型材料和性能也日渐完善，在模具生产和加工的应用范围将会越来越大，未来模具行业传统的加工方法将与 3D 打印技术相互渗透融合本文在 3D 打印技术面对的机遇和挑战，以及该技术在模具行业中的应用做了介绍，并对技术的未来发展方向做了分析。

1.3D打印技术面的机遇和挑战

我国的3D打印主要集中在家电及电子消费品、建筑、教育、模具检测、医疗及牙科正畸、文化创意及文物修复、汽车及其他交通工具、航空航天等领域。其中，3D打印最大的三块需求分别来自民用消费、工业设计和航天军工。其中，已有部分技术处于世界先进水平。例如，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造、生物细胞3D打印技术取得显著进展。可见，我国虽为3D打印行业的后起之秀，但研发能力和应用前景发展势头迅猛。受此影响，国内3D打印产业市场规模增长飞速，根据中国行业研究报告网发布的《中国3D打印材料行业市场前景及2016-2020年投资趋势研究报告》中数据显示，已由2012年的1.61亿美元增至2016年的11.9亿美元，在全球市场规模的比重则相应地由7%升至19.64%。中国制造2025”风口下，3D打印迎来爆发机遇；3D打印高速发展，未来市场可期；基本面上，上市公司纷纷寻找3D打印切入点。掘金3D打印，建议把握三大投资主线：一是打印材料市场空间大的企业，二是配备3D打印高端设备的企业，三是布局全产业链的龙头企业。中国行业研究报告网认为，从3D打印产业链来看，上游材料，中间环节软件控制、设备制造以及下游的特殊领域打印制造，都存在一定技术壁垒，特别是工业领域的应用存在标准设定和工艺控制的问题，把握材料加工和打印成型过程中的核心工艺参数无疑会建立更高的企业护城河，值得重点关注。和所有新技术一样，3D打印技术也有着自己的缺点，它们会成为3D打印技术发展路上的绊脚石，从而影响它成长的速度。3D打印技术现在面临着一下五个挑战。

1、材料的限制

3D打印技术的局限和瓶颈主要体现在材料上。目前，打印材料主要是塑料、树脂、石膏、陶瓷、砂和金属等，能用于3D打印的材料非常有限。

市场上的产品大都千篇1律，而越来越多的人追求个性化的产品，这种消费趋势的变化必然也会对制造业产生影响。从手机、笔记本电脑到汽车，个性化 和创新化的需求和趋势逐渐明显，但这是传统加工制造业难以解决的技术瓶颈，这为 3D 打印技术的发展提供了契机，也是未来 3D 打印技术发展的重要方向之一，必将引起一场技术的革命。

2）创新化。

传统的加工制造业对产品的创新和创意有一定程度的限制，例如我们现在所使用的各种产品，都是在可以制造出来的设计和制造理念下生产的，也就是说，从这个产品的设计到生产，我们都必须要考虑其加工制造性。3D 打印技术不但可以使一切创意成为可能，也会大大地缩短产品的开发时间，降低生产成本，同时以将电脑设计出来的创意产品直接在

3D打印技术在模具行业中的应用，主要分为三个方面：（1）直接制作手板上述几种3D打印工艺都能制作手板，只是制作出来的手板的精度、强度和表面质量有区别，这也是目前3D打印技术最常见的应用方式；（2）间接制造模具即利用3D打印的原型件，通过不同的工艺方法翻制模具，如硅橡胶模具、石膏模具、环氧树脂模具、砂型模具等；（3）直接制造模具即利用SLS、DMLS、SLM等3D打印工艺直接制造软质模具或硬质模具。

快速制造公司ProtoLabs自从1999年已经开始生产快速模具注塑零件。它提供的模具可制造工程塑料、金属、液态硅胶(LSR)等材料的零件。模具主要使用铝(有些情况下用钢)材机加工得到，可加工几个到1000个零件，发货时间1-15天。

它的工业级3D打印服务包括光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和直接金属激光烧结(DMLS)。可打印材料包括仿聚丙烯和ABS的类热塑性材料、工业级尼龙及金属(如不锈钢、铝合金及钛合金等)。

对于尺寸精度要求高而且结构复杂的料模，通常在正式开模前会先做一套试验模。与正式模相比，试验模的材料强度低、而且结构精简，只需为正式模提供实际生产数据以供验证即可。尽管如此，试验模的费用以及生产周期仍然可观。借助3D打印技术，将模腔以及抽芯等部件直接打印出来，再结合传统的模具组立方式，可大幅降低模具的生产周期以及生产成本。以3D打印代替数控加工、电火花等多种加工工艺，使模具的加工与调试以及配件尺寸的调整变得相当便捷。目前应用在工业级小批量产品打印以及3D打印试验塑料模中，Stratasys公司的Objet500 Connex3打印机配合Digital ABS材料是一个不错的解决方案。前面所讲述的都是塑料3D打印的应用，在正式模具的制作中，还会用到金属3D打印的工艺。在塑料模具中，冷却是其中一个很重要的工艺环节，合理的冷却系统可在确保塑料件尺寸精度高、产品变形小的前提下，尽量缩短产品的注塑时间，以提高生产效率。传统的工艺是在模具型腔板与行位（抽芯滑块）上通过钻孔、堵孔等方式加工出一个直线框式的运水系统。此法虽然可以借助铣床、摇臂钻床等设备加工出来，但运水系统往往与产品的形状相去甚远，造成冷却不均匀，导致生产效率上不去。如果根据产品的形状设计出运水系统，可使模具的冷却更加均匀，缩短了产品的冷却时间，提高其品质与生产效率。这种冷却结构我们称之为随形冷却系统，由于内部的运水管道弯弯曲曲，非常规方法所能加工，因此这类型腔板与行位需要用金属3D打印机直接打印出来。从2016广州国际模具展览会上了解到，国内某金属3D打印公司报价为6 000元/k g，因此，目前金属 3D打印主要还是适用于精密模具的特殊零部件加

工。

日常生活用品杯子、桌椅、玩具、灯具、刀叉、吸尘器、衣柜、家电等家用日常生活用品均可以进行个性化设计，并且用3D 打印技术打印出来。所示为 3D 打印的部分日常生活用品。材料可以选择用塑料、金属、陶瓷等。可以想象 3D 如果能够进入每个家庭的景象，个性化的设计充满了房间的每一个角落，创意无处不在，甚至每个人所用的筷子都是独一无二的。距离上述景象的出现，3D 打印技术还有很长的一段路要走，包括 3D打印机和材料的成本、材料的多样化、材料的安全性及操作的简易化等问题均需要一一解决。

汽车行业目前 3D 打印在汽车行业的主要应用为汽车设计、原型制造和模具开发。测试样件和应用模具的 3D打印使得设计者能够对所设计的产品有直观的感受，并且能够找出其中的问题进行优化，明显提高产品的开发设计速度。另外，维修环节的零部件和个性化汽车部件也可以进行直接制造。目前 3D 打印的汽车已经试运行成功，其中的整个汽车外壳是一体打印，车内的零部件是单独打印，最后结合其他部件组装而成。随着科技的进步及人们个性化的要求，3D 打印将在汽车行业起着越来越重要的作用。所示为世界上第一辆 3D 打印汽车

生物医疗3D 打印在生物医疗方面的应用主要包括构建医学模型、人工骨骼、生物器官、牙齿、整形美容等方面［41 － 44］。图 10 所示为部分 3D打印的生物医疗用品。在构建医学模型方面，利用 3D 打印技术，可以用来进行包括神经外科、脊柱外科、整形外科、耳鼻喉科等外科模拟手术，以制定最佳手术方案，提高手术的成功率。在制造人工骨骼方面，可以根据患者的具体情况，制造出钛合金或多孔生物陶瓷等材料的人工骨，然后植入人体，目前该项技术已日趋成熟，并在多名患者身上成功应用。在制造生物器官方面，需要将支架材料、细胞、细胞所需营养、药物等化学成分在合理的位置和时间同时传递，进而形成生物器官，目前虽然科学家们成功用 3D 打印技术制作出了仿生耳和肾脏等，但是距离实际的应用还有很长的距离。在制造牙齿方面，可以对患者的牙齿进行扫描，打印制造钛合金等材料的义齿支架，目前已经有专门应用于牙科的 3D 打印机。在整形美容方面，利用扫描设备对需要整形的部位进行扫描，利用计算机重现原来面貌，之后再进行3D 打印缺损部分，目前已经成功对多名患者进行了整形美容。3D 打印技术应用于医学领域的成效比较显著，但是目前 3D 打印技术的医学应用很大一部分仍处于研究阶段。随着对生物材料、成型分辨率、组织工程血管的制造等医学关键问题的解决，必将推动 3D 打印技术在医学领域发挥出更大的作用。

航空航天3D 打印技术在航空航天领域的应用主要集中在外形验证、直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造等方面。在国外，波音公司已经利用 3D 打印技术制造了几百种不同的飞机零部件;在国内，北京航空航天大学全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂关键构件的激光成型的关键技术，图 11 所示为其 3D 打印的钛合金战机零件。随着材料和技术的不断突破，3D打印技术将在航空航天领域发挥巨大的作用。除了上述主要应用领域，3D

打印技术在房地产、食品、服装、艺术等领域的应用也越来越广泛。随着3D 打印的设备、技术、材料等方面的进一步发展，3D打印技术的应用将会进一步扩大，将会拓展到生活、生产的各个方面，直接影响到人们的生活方式和生产模式等方面