零部件模具設計制造業中的3D打印技術研究
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摘要：現如今，在機械零部件模具設計制造行業，3D打印技術的快速發展正在逐步改變著金屬功能零部件的制造過程，應用3D打印技術可以極大程度的提高工作效率，節省成本的同時也極大的解放了勞動力和各項成本，因此，本文將淺談3D打印技術在零部件模具制造中的應用，以期促進零部件制造行業向更好地方向發展。
關鍵詞：3D打印技術;零部件;模具制造;應用
中國分類號：TP391 文獻標識碼：A
文章編碼：1672-7053（2019）06-0144-02
隨著我國經濟發展的日益成熟與科技發展對材料的不斷需求，無論是在生產技術還是在工業發展方面，從工廠中的鋼鐵鑄造到汽車發動機的零部件鑄造都離不開模具的制造。模具作為一種工藝裝備，利用快速成形技術直接制造金屬功能零部件模具將會成為主要發展方向。而隨著工業產品不斷的更新換代及3D打印技術的日益成熟，我國在零部件模具制造方面如何在較短的時間內制造出高水平的模具，如何有效地提高模具的加工制造效率將成為研究熱點。
1 3D打印技術相關概述
3D打印技術屬于增材制造領域，主要是依據計算機上所生成的三維模型為基礎，在軟件的作用下將三維的模型離散為若干層平面切片，接著在數控成型系統的作用下將一些金屬、陶瓷等材料以粉末狀的形式進行逐層堆積粘結，最終形成所要生產產品的疊加成型[1]。3D打印技術作為21世紀的一種革命性技術，不僅能縮短研發、生產周期，縮減各項成本，還以其具有可自由成型和材料利用率高等特點，有效兼顧了金屬零部件產品的制造成本和使用價值，目前已經逐漸應用于國民經濟發展的許多領域。3D打印技術實現模具快速制造的方式包括直接制模法和間接制模法，直接制模法可以直接制造模具零部件，是3D打印技術在模具行業應用的優先發展方向[2]。在模具行業，3D打印技術在零部件模具制造中不僅能夠有效解決傳統方法所遇到的復雜零部件難以加工等技術難題，還能快速響應制造需求。
零部件模具在各種工業制造的設計、研發、制造等方面扮演著十分重要的角色。3D打印技術的作用逐漸凸顯，促進了零部件模具制造行業的健康發展。將3D打印技術應用于零部件模具領域，還能利用其超強的復雜構建能力實現傳統方式無法實現的技術突破[3]。3D打印是一類制造技術的總稱，該項技術的工作原理主要包括兩個方面，與傳統制造業所采用的“減材料制造技術”相反，它使用的是“加材料制造技術”。就目前來說3D打印技術主要包括SLA（光固化法）、FDM（熔融沉積法）、SLS（立體光刻法）、3DP（噴墨沉積法）、LOM（分層實體制造法）等[4]。這些技術首先應用了三維成形原理;其次，這些技術還應用了熔融固化技術，工作人員首先上傳三維實體模型的所有數據，設計打印路線，應用計算機技術，在需要打印的平面上剖面噴射操作，等待凝固，然后冷卻溶解后的材料，使其形成三維實體剖面薄片。最后，保證打印效果，調整操作臺高度，完善打印細節。
在機械零部件模具設計制造行業，3D打印與傳統的工藝在實現產品成型的過程具有本質區別，在以往的生產設計中，需傳統的模具、夾具和機床，產生大量廢料，而3D打印技術僅利用三維設計數據在一臺設備上，可快速而精確地制造出各種復雜的零件，其設計制造周期被大大縮短，且產生極少的廢料，從而縮短了整個機械零部件開發的周期，有效縮短了加工周期，成為創新設計制造的一種方法。3D打印技術易于實現單件小批量復雜形狀產品的快速制造，由于考慮使用新模具會產生大量的資金成本消耗，在非批量化生產及定制化生產中具有明顯的成本和效率優勢。很多機械設計制造企業或許會旋轉推遲模具的開發或者放棄模具的更新，而由于3D打印技術的出現，它能夠使模具設計周期跟得上產品設計周期的步伐。
根據使用材料的不同3D打印技術可以分成使用金屬材料的3D打印和使用非金屬材料的3D打印技術，這些材料的狀態也有不同，其中包括液態、粉末狀以及固態片狀的區別。3D打印技術根據制造過程中熱源的不同，可分為包括電子束、激光束、等離子以及離子束等高能束建造方式或者是一般熱源的塑造方式包括光固化、噴涂粘結、熔融沉積等方式。在這些3D打印的建造方法中有很多方法都非常的流行。
2 3D打印技術在零件加工中的優勢
2.1“逐層疊加”的原則
3D打印技術其在進行零件加工時采用的是“逐層疊加”的原則，3D技術的使用能夠在很大程度上減少材料的浪費，從而降低零件生產的成本，提高材料的利用效率，縮短加工周期。傳統的模具制造過程中，所需的人力、物力和財力都非常多，生產周期較長。在產品量少、復雜和個性化較強時，使用3D打印技術發揮其創新活動蓬勃發展，將金屬零部件的傳統成形方式與3D打印直接制造方式結合起來，將增材工藝與數字化制造技術結合起來，推出商業化設備，進一步深化基礎理論體系，快速開發，擴大3D打印技術在工業領域的應用空間。
零部件模型制造是工業體系中占比最大、應用最為廣泛的產品類型，傳統制造模式對模具進行3D軟件設計，之后修正模型，分析模型，確定分型線和進料點;最后讓客戶確認設計好的模具再開始生成圖紙，設計加工流程和工藝，這樣的過程繁瑣而復雜，只有使用大規模生產線才可以降低生產成本。如果真正將3D打印發展成為一種可以工業化應用的技術門類，充分發揮其成自由形度高、用材范圍廣、制件性能優異及制造環節少的優勢，很好地契合金屬零部件產品的未來發展趨勢，應用多模式的組合方式，就可以有效兼顧金屬零部件產品的制造成本和使用價值。組合制造方式可以在一定程度上降低3D打印的成本區間，克服3D打印技術上包括難成形材料的傳統制造局限，為零部件模型的增材制造開辟了一條新的途徑[6]。
2.2 力學性能優勢突出
直接制造金屬零部件的3D打印技術，除了用于直接制造注射模，還可用于直接制造壓鑄、擠出、熱沖壓等其他零部件模具，充分發揮了金屬熔體在遠離平衡態凝固過程中晶粒細化、溶質偏析傾向小的作用，通過分析可知SLM工藝、SLS工藝和DMLS工藝都可以用來制造零部件模具，可獲得細密均勻的基體組織，并使金屬零部件呈現出良好的力學性能。此外，3D打印技術可以實現零件整體加工，現代結構設計理念中的點陣結構、拓撲優化技術可以通過3D打印的自由成形能力得到充分發揮，整個制造過程與傳統制造相比較為簡短，可以極大提高金屬制件的輕量化水平。3D打印設備操作簡便且自動化程度高，這些優勢的協同作用為其在可靠性零部件模型制造上獲得了大量應用。 2.3 應用領域廣
此外，隨著網絡技術的不斷升級，模具設計人員可以通過互聯網將數字化信息直接傳至3D打印設備直接制造金屬零部件，而隨著金屬粉材牌號、規格的不斷擴展和設備核心器件的價格持續降低，3D打印技術的應用成本也不斷降低。未來，不僅可以進行遠程零部件模具制造民用高端裝備產品，而且可實現多人協同設計制造，提高模具設計效率，還將會為選擇性激光熔化技術、激光立體成形技術提供新的應用空間。
3 3D打印現存問題及應對策略
3.1 3D打印現存的技術問題
3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、絲化、粉末化，在進行加工時經常會出現一些懸空區，打印后又能重新結合起來。對金屬粉末而言，材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能的要求會更高，這樣如果加工工藝參數設置不合理就有可能導致模型產生斜面，以往的機械制造工作存在設計理念落后的弊端，3D打印技術開發的難點就是材料研制難度大、評價周期長，也是核心問題所在。金屬粉末原料如鈦合金和高溫合金，高規格的原料基本只能依靠進口解決無法滿足人們對產品質量、外觀等方面的高要求且價格高、周期長，一定程度上限制了企業的發展步伐。這就需轉變設計理念，減少臺階現象的出現，全面提升加工產品的穩定性與集成度，適當的調整分層厚度，幫助企業用最小成本創造更大的效益。
舉例來說，零部件模型對產品質量的要求較高，在完成零件加工工藝方向之后，如果使用傳統加工方式，不僅難度大，進行打印時還需要對所設計模型的結構進行優化，經濟效益也難以保障。減少打印支撐是有效地解決措施，3D打印技術只需幾臺設備與幾個零部件便能完成所有加工任務，通過減少設計結構中的懸臂結構，零部件的質量與穩定性較之傳統方法也有大幅度提升，這樣可以在很大程度上縮短打印時間，能夠提高3D打印技術，對所加工零件的尺寸進行合理設計，縮短打印時間，同時推動機械制造行業的快速發展。
3.2 3D打印行業標準欠缺
3D打印欠缺行業標準，3D打印零部件模型由于和傳統材料不同，材料的內部結構和力學性能也不同，雖然3D打印技術可以制造形狀和結構復雜的模具零件，但現行標準并不適用于這類材料，而且在打印過程中產生的臺階效應，將影響模具零件的制造精度和表面質量，因此，需要進行研究并制定相應的標準。
4 結語
綜上所述，相對于傳統的金屬零部件成形技術，3D打印技術在機械制造領域中占有舉足輕重的地位，由于傳統制造方法中高昂的制造成本使普通民用領域望而卻步，所以需要對3D打印技術予以重視，加大研究力度。而且3D打印技術本身也是一個廣泛的技術門類，實現技術升級，可以讓相對成熟的分項技術通過改型和轉化方式向現有工業體系融合，將其與實際社會生產工作相結合，持續開發各種新型的高性價比的3D打印技術模式，滿足現代社會對產品精度、強度、剛度及美觀度等多方面的高要求。未來，通過科學技術領域學者和工程應用領域從業者的深入協作，3D打印技術能還能轉變傳統設計理念，全面提高生產質量與效率。在新工業體系下形成多層面、多維度的應用格局，因此，研究該項技術具有十分重要的現實價值與參考價值。
參考文獻
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[2]田國強，魯中良，李滌塵.基于增材制造技術的復雜結構模具數字化制造方法[J]，航空制造技術，2014，453 （9）：3841.
[3]EVANSB. Practical 3D Printers： the Scienceand Art of 3D Printing， 2012.
[4]張佳琪，王敏杰，劉建業，牛留輝，王金海，李花霞.3D打印直接制造金屬模具零件的研究進展[J]，模具制造，2019，19 （02）：72-79.
[5]王建，機械制造領域中3D打印技術的應用[J].南方農機，2018，49 （16）：42.
[6]鮑飛，陳善忠，韓群，等.金屬零部件制造的3D打印技術現狀及發展趨勢[J].新材料產業，2018，294 （05）：55-57.
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