未来智库 > 3D打印论文 > 【3D打印技术在模具中的应用】
    关键词:3D打印技术 模具 制作工艺 增材制造
    中图分类号:TP391.73 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2017)12(a)-0110-02
    1 3D打印技术
    在20世纪90年代中期,3D打印才开始出现,另一种说法称之为为“增材制造”,虽然它有近30年的历史,但却是在最近几年才走进大众的生活中。通俗的说,3D打印技术就是用特殊材料塑造出绘制在平面上的三维图形的打印机。
    1.1 3D打印技术的特点
    1.1.1 产品生产快捷
    传统加工制造工业的工序复杂,生产一个产品往往需要很多时间,而3D打印技术的出现与运用大大缩短了产品生产的周期。它简化了加工制造工业的工序,尤其是在互联网时代,它可以在计算机上设计产品和规划生产过程,完善生产过程中的问题,缩短了工作时间,提高了工作效率。
    1.1.2 提高制造精准度
    3D打印技术不需要使用刀具或者其他的模具,它运用了计算机、互联网的技术大大提高了计算准确度。这种自动、快速、直接的方式能做到很高的精度和复杂程度,反观传统的制作技术制作不出相对复杂的制件。
    1.1.3 节省材料
    这种依靠计算机来精准制作模具的方法无须考虑剔除边角料,直接摒弃生产线,提高了材料的利用率,降低了生产成本。
    1.2 3D打印技术的应用
    3D打印技术可以运用到人们生活中的很多地方,各类模型制作、工艺品、家具生产、汽车工艺、建筑、服装、首饰等很多范畴。虽然生活中方方面面都有它的身影,但它也并非是十全十美的,作为一种新兴技术,它也受到很多因素的限制。
    模具领域中不断地有新的产品开发试研,这些产品的制作往往工序复杂,耗费时间长,如果继续用传统制作工艺技术就有可能会影响产品对市场的投放,造成经济损失。而另一方面,在模具试制与模具小批量生产方面,3D技术具有不可比拟的优势,它能够满足生产方技术、时间、成本等方面的要求。
    1.3 3D打印技术的原理
    现有基础上的3D打印技术一般包括以下3种。
    1.3.1 光固化成型
    光固化成型就是立体光固化成型装置,它是最早出现的快速原型制造工艺,具有很高的成熟度,经得起时间的检验。不会用到切削工具、模具 ,它的加工速度很快,生产产品需要的时间短,遇到传统制作技术无法解决的外型复杂的问题都可以使用这种技术加工制作。最重要的它通过使用计算机来仿真计算,联机操作,对试验结果进行验证校对,这对生产来说是很好的保障。但事物都有正反两方面,光固化成型需要的成本较高,需要良好的工作环境,而且使用这种技术加工而成的产品大多是树脂类,保存时间比较短,最重要的是这种技术具有难操作性,难以为大多数人所使用。
    1.3.2 三维粉末粘结
    这种技术使用的成本很低,粉末成型的速度也相对较快,还支持制作彩色原型,同时在制作的时候没被喷射粘结剂的地方给产品形成起到了支撑作用,产品制作结束后也容易清理。三维粉末粘结技术在模具领域比较适用于小件的成型产品,概念模型、彩色模型以及数学模型都可以适用,甚至在医学领域还可以用于加工颅骨模型。
    1.3.3 熔融沉积快速成型
    1988年Scott Crumo提出这种思想,这种技术一般需要热塑性材料,系统原理简单,操作简易,不需要过多的维护设施,系统可以自动控制校准。这种技术具有很高的精准性,可以适用于任意复杂的零件,它自身的装置也容易分离清。这种具有很多优点的技术也有着不可避免的不足之处,它不适用于大型产品生产,与光固化成型技术相比它生产出的成型产品表面容易具有清晰条纹,需要后期花时间处理。
    2 3D打印的工作流程
    2.1 成型前的处理
    2.1.1 设计模型
    模具制造首先需要的就是确定好模具的外型,确定模具外形就要根据要求开始设计模型,设计模型对于模具制造来说十分重要,它不仅是对产品的外形设计,更多的是对制造过程中出现的问题的预计,提前做出的考虑。比如说模具制作中的随形冷却注塑模具,不光要考虑到冷却的效果,更重要的是考虑到冷却效果兼顾到冷却质量和效率,所以要提前估算好冷却通道排布。
    2.1.2 添加支撑
    3D打印中需要将成型产品保证与基板的契合,在使用三维粉末粘结技术时,铺粉装置容易卡住,如果产品发生偏移或者歪斜都会影响加工效果,甚至对设备产生损害。另一方面,这也是为了确保产品的各项特征参数,以防出现特定结构的信息丢失。不同的加工设备所需要的支撑也不相同,一般分为两类:底部较为平直部分比较多的模具工件就需要使用交错的网状结构;底部平直部分较少或为�A柱体的模具工件就使用片状的支撑。
    2.1.3 确定参数
    在开始打印前必须要确认工件的各项参数,包括空间位置、铺粉厚度等。只有确保各项参数的准确无误才能够在后面的打印中做到万无一失。
    2.2 成型后处理
    2.2.1 取件
    打印结束后,将淹没在粉料里的产品取出来时需要注意:清楚废料防止废料污染,使用毛刷进行初步清理,产品表面的粉料回收之后可循环使用。
    2.2.2 去支撑
    去除支撑一般有两种方法:支撑较繁杂,产品较大时用线切割的方式;支撑较简单,产品小件的时候可以采用凿子直接取件,以达到节省时间的目的。
    2.2.3 清粉
    模具的冷却通道部分一般有很多滞留的粉料,这些比较难以清理,可以采用毛刷、吹风机等工具直接清粉。
    2.2.4 喷砂
    模具工件清粉后仍有部分沾粘的粉料清除不干净,喷砂可以覆盖在上面,提高工件的光亮度和精美程度。另外,喷砂还可以消除热应力,这可以防止后来的使用过程中出现开裂变形的现象。
    3 3D打印技术面临的挑战
    (1)当前能够提供3D打印机使用的材料只有石膏、无机粉、塑料、光敏树脂等,这些材料十分单一,主要是塑料,很少有能适合3D打印机的材料。
    (2)3D打印面临的一个重要问题就是它需要CAD(计算机辅助设计)支撑,它是3D打印技术的基础,然而对于普通用户来说,学会CAD不是容易的事情,它需要通过计算机来进行设计工作,不是一般的技术人员可以胜任3D打印中CAD的专业人士操作。
    (3)3D打印的成本较高,它所需要耗费的成本最终与它的零售价格差不多,不能走规模经济发展。目前,它只能适用于少量或小批量的生产,不能投入大规模生产中去,即使它在技术方面有很大的优势。
    (4)3D打印可以生产的工件大小受到限制,如今3D打印设备能打印的最大尺寸也仅仅为1.8m×1.8m,这并不能满足其他大型工件的需求。
    4 3D打印技术在模具的发展前景
    从上文中可以看到3D打印技术确实有着传统制作技术所不能比的优点,例如快捷、方便、应用广泛。但相应的,3D打印技术还在摸索中,甚至很多的研究还在研究室里,所以它的材料、价格、尺寸等都有一定的缺陷,这都需要不断改进。目前3D打印技术的运用还大多停留在产品开发上,说以3D打印技术代替传统制作技术还为时尚早,但它给模具制造带来的改变和新气象还是不容忽视的,3D打印技术全面引入模具制作中也是一定的,只不过还需要不断摸索与加强。
    参考文献
    [1] 秦培凡,苏贺,李慧芸.3D打印在容器模具制造领域的应用[J].科技创新与应用,2015(8):41.
    [2] 苏立祥,朱鹏英,旁文良.关于3D打印技术对机械制造行业的影响[J].工业B,2015(20):138.
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