3D 打印技术在模具工业中的应用：缩短制造周期，降低成本

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随着国际竞争的加剧和市场全球化的发展，产品升级加快。多品种、小批量已成为模具行业重要的生产方式。这种生产方法要求缩短模具制造周期，降低模具制造成本。作为一项重要的数字制造技术，3D打印技术可以直接从三维数字模型形成任何复杂的实体结构，无需传统材料去除制造方法中使用的工具、工装、冷却剂和其他辅助装置。对于零件或小批量生产具有显着的成本和效率优势。因此，3D打印技术在模具行业得到广泛应用，推动复杂结构模具数字化制造的技术进步。

基于增材制造技术的复杂结构模具数字化制造方法及特点目前，可制造复杂结构模具的3D打印技术主要包括：立体光刻快速成型、选择性激光烧结、熔融沉积制造、三维打印成型、分层实体制造、金属直接成型。利用增材制造技术实现模具快速制造有两种方法：直接成型法和间接成型法。直接成型法是指利用3D打印技术从模具CAD数字模型直接制造模具本身，然后进行必要的后处理，以获得模具必要的机械性能、几何尺寸精度和表面质量。目前，可直接制造模具的增材制造技术主要有金属直接成形、3DP、SLS和LOM。间接成型法是指将增材制造技术与传统模具复制技术相结合来制造模具。

目前用于间接成型方法的3D打印技术主要有SL、FDM、LOM和SLS。基于AM技术的快速模具制造方法如图1所示。基于3D打印技术的数字化模具制造方法的主要特点：可以实现复杂结构模具的快速制造；适用于金属、陶瓷、树脂、硅胶等各类材料的模具成型；在基于CAD数据直接制造模具的过程中，无需夹具、工装和人员参与，制造过程高度自动化。

增材制造技术在模具制造中的应用现状

1 SL和模具快速制造

在直接模具制造等方面。采用氧化硅/光敏树脂混合浆料作为成型材料，采用SL技术将浆料直接固化，打造绿色铸件。干燥、烧结后得到陶瓷铸模，铸造铝件； Bae利用SL技术固化氧化硅/丙烯酸酯单体的混合浆料，实现燃气轮机叶片核/壳一体化陶瓷铸造模具的快速制造。这些成型方法工艺简单，但制造的模具收缩太大，精度低。同时，由于浆料沉淀，密度不均匀。

目前，SL技术广泛应用于模具的间接制造过程。美国3D公司推出了快速工艺来制造熔模铸造陶瓷模具。主要工艺流程为：采用SL工艺制造树脂原型→在原型上涂覆陶瓷浆料→脱脂并在高温炉中烘烤，得到陶瓷铸件型。 3D公司还推出了制造金属模具的工艺。流程如下：制造SL原型→复制硅胶模具→用工具钢粉末和粘合剂填充硅胶模具→脱脂和渗铜→模具。他们使用SL原型作为主模，以环氧树脂作为模具材料，制作了用于饮料瓶成型的吹塑模具。比尔等人。首先制造SL模具外壳，并在其中填充与铝颗粒混合的环氧树脂，以实现金属粉末注射模具的快速制造。

西安交通大学的研究人员首先采用SL技术制造了用于复杂航空航天零件熔模铸造的蜡模壳体，包括上、下模壳体、活动块1和2，如图2所示（一）；然后将金属树脂浆料倒入模壳中，固化后，制备出包括上模、下模、活动块1和活动块2的压蜡模具，如图2(b)所示；图2(c)是压制蜡模型和熔模铸造金属零件。与SL直接成型法相比，SL间接成型法在实用性上有优势，但由于增加了模具复制工序，工艺复杂，模具精度控制困难。

2 3DP与模具快速制造

目前业界主要采用3DP技术直接制造模具。以石膏粉为成型材料，采用3DP技术制作真空辅助树脂传递模塑模具（见图3），并用该模具制备叶片。垃圾等。以石膏为材料，采用3DP方法制造热塑成型模具来压制汽车模型车身顶盖。 [16]使用Zcorp的Z510三维打印机和Zcast 501专用粉末材料直接制造铸造转子叶片的砂型。这些成型方法周期短、工艺简单，但制造的模具精度和表面粗糙度较差。 ，密度低，机械性能差。

3 FDM与快速模具制造

FDM技术主要应用于模具的间接制造过程。伊德里斯和布莱克等人。采用FDM方法制作ABS树脂原型，采用翻模法制作熔模铸造用砂型。李等人之后。使用FDM方法制造ABS树脂原型，他们通过两次模具车削工艺将树脂原型转化为陶瓷铸件，即：

①将浆料挂在树脂原型的外表面，然后经过脱脂、烘烤制成陶瓷铸件；

②首先用树脂原型制作硅橡胶模具，然后制作蜡模，最后用蜡模制作陶瓷铸造模具。

FDM间接成型法工艺复杂，制造出来的手板精度比SL手板精度低，模具精度补偿难度更大。

4 LOM和快速模具制造

LOM技术可用于直接和间接的模具制造。塔里等人。采用LOM方法制造树脂传递模塑模具。流程如下：

① 以底层涂有热塑性粘合剂的纸材料作为成型材料，使用CO2激光源切割纸材料形成单层模具横截面，并用热压机将纸材料热压热压辊实现各层截面的粘合，准备成型用的树脂传递模；

②对模具进行表面涂层和抛光后，得到成品模具。使用该模具，制造了由乙烯基润滑脂制成的工字梁。

王等人。选用美国公司的LOM 2030成型设备，以纸张为成型材料，通过LOM及后处理工艺制造弹道砂型。研究了LOM技术在砂型铸造、熔模铸造、陶瓷成形中的应用，并给出了相关应用案例，如利用LOM原型改造砂型等；使用 LOM 原型改造陶瓷蜗杆注射成型模具。模具内部由硅胶制成，外面有金属套；可直接制造熔模铸造蜡模。然而，采用LOM技术制造模具存在材料利用率和精度较低、后处理工艺复杂等问题。

5 SLS和快速模具制造

在直接模具制造方面，美国DTM公司引进了成型技术。其主要流程为：采用CO2激光器烧结外层粘合剂的金属粉末，制成半成品模具→烧结脱脂→渗铜处理→成品模具。德国EOS公司推出了Tool 技术，该技术也称为直接金属激光烧结（DMLS）成型技术，通过烧结不同熔点的金属粉末的混合物来制造金属模具。这两项技术已广泛应用于金属模具制造中。例如，肯尼等人。选用DTM公司2000台成型设备和成型材料采用技术制造高分子材料成型模具；等人。使用 DMLS 烧结 H20 模具钢来制造汽车轮胎的一段。胎面模具；库马尔等人。采用SLS工艺烧结WC-Co粉末直接制造注塑模具，并通过渗青铜提高模具的密度和力学性能。刘金辉等人采用SLS烧结环氧树脂和金属粉末复合材料制造具有随形冷却水道的注塑模具镶件（见图4），并渗青铜以提高镶件的密度和机械性能。将聚合物粘合剂喷涂到氧化锆粉末颗粒的表面，然后利用SLS技术对粉末进行烧结，制备氧化锆陶瓷铸造模具和铸造钛合金零件。

SLS成型方法工艺简单，可以实现内部流道结构复杂的模具的快速制造。但为了提高模具的密度和机械性能，需要进行渗透等后处理，这增加了成型时间。此外，SLS技术还可用于制作原型，然后重新制作模具。例如，刘红军等人。 [28]采用SLS烧结聚苯乙烯粉末制成塑料原型，然后在原型上涂浆料，经过脱脂和烘烤后得到陶瓷铸造模具。 ，用于铝合金零件的精密铸造。然而，采用SLS技术制造的手板精度较低，难以满足高精度模具制造的要求。

6 金属直接成形与快速模具制造

金属直接成形技术可以直接、快速地制造模具。 [29]通过选择性激光熔化（Laser，SLM）与数控技术相结合，实现了注塑模具型腔镶件的制造（见图5）。刀片的上体采用 SLM 技术熔化 H11 热作钢粉末制成。缸体下体采用数控加工制造。郑等人。选择Fe、Ni、Cr的混合粉末材料，采用金属激光熔覆（Laser，SLC）和磨削相结合的方法制造金属粉末注射成型模具。模具成型采用激光熔覆法，并采用磨削法。精确控制各熔覆层的高度和顶面的光滑度。直接金属成形方法可以实现密度和机械性能较高的模具的快速制造，但工艺难度较大，因此尚处于技术研究阶段。增材制造技术在数字化模具制造领域的发展趋势

(1)与直接成型法相比，间接成型法工艺复杂，成型周期长，模具寿命短。直接成型方法，特别是综合性能良好的金属模具的直接制造，是模具行业增材制造技术的优先发展方向。

(2)增材制造技术基于分层/叠加原理形成实体结构。在直接成型工艺中，由于台阶效应，模具表面精度较低。在间接成型过程中，原型表面的台阶效应会传递到模具上，导致模具失效。表面精度的控制变得更加困难。另外，模具成型和后加工过程中的各种变形和收缩也会导致模具精度降低。基于增材制造技术的模具精度控制将成为重要的研究方向。

（3）目前增材制造技术主要用于小型模具的快速制造，大型模具的制造仍存在技术瓶颈。未来有必要在大型模具制造方面进行深入探索。结论与传统模具制造方法相比，增材制造技术可以实现任意复杂结构模具的快速制造。在单件或小批量生产的模具制造过程中，它具有制造成本低、周期短的优点，因此在模具中得到广泛应用。制造业。未来有必要对大型模具直接制造方法、模具精度和增材制造等方面开展关键技术研究，进一步提高基于增材制造技术的模具数字化制造水平。