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浅议3D打印成型技术对模具制造技术的冲击

发布时间:2017-12-07 09:10:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:3D打印;模具制造;冲击
    1 概述
    3D打印技术(增材制造技术)是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,将材料逐层堆积制造出实物的新兴制造技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。3D打印技术综合了信息技术、数字建模技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术,被誉为“第三次工业革命”的核心技术。
    传统的模具制造技术是在接单后还需对接单项目进行评审,在确定了开发要求及工艺路线后,开始模具设计。加工之前需要按照设计的图纸备料。接着是粗加工,最后是试模验证。其加工流程如图1所示。采用传统的模具制造技术制造加工出一个合格的模具所需要的人力、物力较多,生产时间也较长。
    2 3D打印制造模具的优点
    3D打印成型技术与传统模具制造业的最大区别在产品成型的过程上。在传统的模具制造业中,模具制造一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。而3D打印则免去了那些复杂的过程,不用模具,一次成型。可以节约很多成本。还可以克服一些传统制造上无法达成的设计,从而制作出更复杂的结构模具。
    2.1 模具生产周期缩短
    3D打印模具缩短了整个产品开发周期,并成为驱动创新的源头。在以往,由于考虑到还需要投入大量资金制造新的模具,公司有时会选择推迟或放弃产品的设计更新。通过降低模具的生产准备时间,以及使现有的设计工具能够快速更新,3D打印使企业能够承受得起模具更加频繁的更换和改善。它能够使模具设计周期跟得上产品设计周期的步伐。
    2.2 模具设计的改进为终端产品增加了更多的功能性
    通常,金属3D打印的特殊冶金方式能够改善金属微观结构,并能产生完全致密的打印部件,与那些锻造或铸造的材料(取决于热处理和测试方向)相比,其机械和物理性能一样或更好。增材制造为工程师带来了无限的选择以改进模具的设计。此外,它能够整合复杂的产品功能,使高功能性的终端产品制造速度更快、产品的缺陷更少。3D打印可以实现任意形状的冷却通道,以确保实现随形冷却,更加优化且均匀,最终导致更高质量的零件和较低的废品率。
    2.3 定制模具帮助实现最终产品的定制化
    更短的生产周期、制造更为复杂几何形状、以及降低最终制造成本的能力,使得企业能够制造大量的个性化工具来支持定制部件的制造。3D打印模具非常利于定制化生产,比如医疗设备和医疗行业,它能够为外科医生提供3D打印的个性化器械,比如,外科手术导板和工具,使他们能够改善手术效果,减少手术时间。
    3 3D打印成型技术对模具制造技术的冲击
    工业产品的更新换代非常快,一个新产品生产出来后,如果没有销路,那就得不偿失。传统模具制造技术开发一套模具需要几十万,甚至几百万元。而利用3D打印技术,可以把产品先开发出来,直接打印。使用3D打印技术的优势在于可以大大缩短生产的周期、节约生产成本。比如,一套手机模具,采用传统的制造技术,须经过大约12个工作日才能完成,有时还会造成材料的浪费。但利用3D打印技术几个小时就可以完成,而且还具有高精密度的特点,这样就能够不断提高市场竞争力,在发展中抢得先机。
    3D打印的优势很明显:可免除制造刀具、夹具和模具的过程,直接进行产品加工,解决了生产工艺难以解决的问题,还节约材料、缩短时间。
    4 3D打印成型技术短期内无法替代传统模具制造技术
    3D打印诞生近三十年了,但产业化远未形成。虽然3D打印名气很大,但到今天还处于科普阶段。3D打印作为一项前沿的、先导性较强的技术,可以满足个性化、定制化、复杂、高难度产品的需求,但不具有批量化、规模化的优势。
    4.1 传统工业的成熟给3D打印制造门槛
    传统工业大生产在过去200多年可以说非常成功,发展到今天,分工也非常细,配套非常充沛,可以说是环环相扣,形成了巨大的利益攸关体,形成了巨大的惯性。如果要打破这种惯性,成本非常高。这些3D打印无论是颠覆或者融入,门槛都特别高。
    4.2 目前3D打印不适合批量生产
    3D打印目前并不适合批量生产,例如3D打印技术生产1件产品和生产1万件产品的成本单价基本接近,而且3D打印需要更长的时间。一个喷头就对应生产一个产品,而且产品体积大了,成型速度几何性降低,几个小时才成型一个东西,粗糙度不满足,还要打磨,还要精加工。传统模具制造技术在我国大批量生产中占据明显的优势,在非批量、精密要求不是很高的产品制造领域,传统模具制造暂时不具备替代性。
    4.3 3D打印技术的材料种类较少,而且价格较贵
    尽管现在已有几百种材料能够被3D打印,但是高温塑料和一部分常用金属依旧不能被打印。尤其金属由于热处理的问题,很容易出现打印后变性的问题,现场EOS的代表提出的比如invar,就不能被打印,而这个材料在航空发动机中却是相当重要的材料。而且国内有能力生产3D打印材料的企业很少,特别是金属材料主要依赖进口,价格高。
    4.4 3D打印技术的速度、效率、质量还有待提高
    3D打印本身的技术原理就决定了制造精度和制造速度存在矛盾。3D打印是一层层来制作物品。如想提高打印精度就得增加打印层数,但是自然而然地降低了打印速度。而提高速度的话就会有精度问题:因为3D打印采用的是逐层堆积制造的方式,这种方式本身就存在“阶梯效应”,特别是所制造工件表面曲度较大的时候,阶梯效应就尤为明显,这会影响工件的精度。
    3D打印技术和传统制造技术都存在优势和劣势,目前3D打印技术还不能替代传统制造技术。从长远来看,随着3D打印技术的不断发展,未来打印效率不断的提高及生产成本的降低,3D技术对模具行业的影响将不容小觑。
    参考文献
    [1]刘斌.关于3D打印技术中的几个问题与思考[J].模具工程,2015.
    [2]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012.
    [3]陈兴龙.3D打印技术在模具行业中的应用研究[J].机械工程师,2016.
    [4]李志君.3D打印技术在塑料加工成型及模具设计课程群教学改革中的应用探索[J].科教文汇旬刊,2015.
    [5]厉成龙.3D打印技术在现代模具制造中的应用[J].装备制造技术,2015.
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