吴成龙1，刘斌1，张步跃2
（1．华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东广州5106412．东莞市广正模具塑胶有限公司，523861）
摘 要：本文首先探讨了使用3D打印技术制造模具的流程、3D打印技术在模具中的应用研究及应用实例；然后对3D打印技术短期内无法替代传统模具制造技术的原因进行了分析；最后总结了目前3D打印技术应用的发展方向。教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：3D打印；增材制造；模具制造；随形冷却；注射模具
The Application of 3D Printing Technology in the MoldIndustry
Wu Chenglong1 Liu Bin1 Zhang Buyue2
（1.The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education,NationalEngineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing,South China University ofTechnology, Guangzhou, Guangdong 5106412. Greatech Moulding Co., Ltd, Dongguang 523861）Abstracrt：The process of using 3D printing technology in mold manufacturing was firstlyintroduced in this paper.The research and some examples of 3D printing technology in the mold werediscussed. Then the reasons which the 3D printing technology cannot replace the traditional moldmanufacturing technology in the short term was analyzed. Finally, the current direction of thedevelopment of 3D printing technology application was summarized.
Keywards：3D Printing; Additive Manufacturing; Mold Manufacturing; Conformal Cooling Channel;Injection Mold
1．概述
3D 打印，又称增材制造技术，是一种以三维CAD 模型文件为基础，应用粉状、丝状或片状等材料，通过“分层制造、逐层叠加”的方式来构造三维物体的技术。
目前应用比较广泛的3D 打印成型工艺主要有：选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、选择性激光熔化（Selective LaserMelting，SLM）、直接金属激光烧结（DirectMetal Laser Sintering，DMLS）、立体光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、分层物体制造（Laminated ObjectManufacturing，LOM）等，不同类型的工艺在不同的领域有着应用的优势。
3D 打印技术在模具行业中的应用，主要分为三个方面：
（1）一是直接制作手板，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）二是间接制造模具。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） 三是直接制造模具。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，主要是金属3D 打印技术。
2 利用3D 打印技术的模具制造流程利用3D 打印技术直接制造模具的流程如图2所示（以SLM 工艺为例），可分为成型前准备、SLM 成型和成型后处理三个阶段。成型前准备包括模具模型的3D 建模、STL 格式转化、添加支撑结构、确定工艺参数、进行分层切片等数据处理；SLM 成型阶段属于自动化加工，人工干预较少，只需对SLM 设备的工作状况进行监控，保证设备的正常运行即可；成型后处理包括取件、清粉、喷砂、表面打磨、抛光以及其他加工等。下面具体讲述利用SLM 工艺制造模具的过程。
2.1 成型前处理
（1）模型设计
模型设计是模具制造的第一步，直接决定了模具的外形特征，例如随形冷却注塑模具，设计时不仅需要考虑冷却的效果，还需要考虑加工工艺的限制及采用的模具组合方式等因素。冷却的效果要兼顾冷却效率和冷却的质量两个方面，需要优化冷却通道的排布和结构特征，冷却通道的设计原则和方法等；加工工艺限制主要是针对SLM工艺的成型特性，在设计时对某些特征的处理，以保证模具在成型制造时不会导致特征丢失，例如，微小特征、悬空结构等；随形冷却注塑模具比较经济和实用的模具组合方式是镶嵌式。
（2）添加支撑
添加支撑的目的主要有两方面，一是为了将成型工件固定在基板上，这是由于在模具成型的过程中，由于铺粉时需要将粉料均匀紧密地平铺在基板上，铺粉时存在一定的剪切力，若成型零件在基板上未固定或固定不足，轻微的移位会导致加工完成的工件错层，严重时工件有可能卡住铺粉装置，损坏设备。因此，需要足够的支撑将成型工件固定。二是为了防止特定结构打印时的特征丢失，这主要是针对倾角较大的结构。
添加支撑是成型前处理的重要工作，对工件的成型质量有着重要影响。不同加工设备的支撑有所区别，主要分为两类，一类是交错的网状结构，主要应用于底面平直部分较大的工件支撑；另一类是片状的支撑，应用于圆柱面等非平直曲面的支撑。最小的支撑高度，即最低成型面到基板平面的距离，过高则造成工件的总成型高度过大，所需的铺粉粉料用量变大；过低则会造成取件困难，综合考虑，一般选择3 至5mm。
（3）确定工艺参数
工艺参数直接决定了成型工件的质量。工艺参数包括铺粉厚度、激光扫描速度、扫描方式、工件摆放的空间位置等。
2.2 成型后处理
（1）取件
3D 打印成型完毕后，打印工件淹没在粉料里，取件时先将熔结产生的废料清除，防止废料污染粉料；然后将工作台上升，在加工仓内进行初步的清粉，使用毛刷将未烧结的、依附在工件表面的粉料清扫入粉料回收缸，以备循环使用，最后将工件和基板一并取出。
（2）去除支撑
取件后，需将工件与基板分离，通常采用线切割、锯等方式。线切割分离时间较长，多用于支撑较多，支撑连接处具有薄壁特征的工件分离，因为该分离方式较为柔和，不会造成工件变形。当工件较小、支撑较少，或支撑连接处为实心结构时，为节省分离时间，也可以采用凿子直接将工件取下。
（3）清粉
该清粉主要针对模具的冷却通道部分，可以采用毛刷直接清粉，也可以使用吸尘器或吹风机等辅助设备去除滞留在冷却管道内部的粉料。冷却通道的结构对清粉难度有一定的影响，例如直径、通道曲率半径等。
（4）喷砂
喷砂主要有以下两个目的：1）喷砂能清理粘连在工件表面的粉料，提高工件的光洁度和精度。工件表面在成型时会粘连少量未完全烧结的粉料，连接强度虽然较低但清粉时难以去除，因此采用喷砂处理。2）消除热应力，提高工件的机械性能。粉料在烧结的过程中，热应力积累，成型的工件内应力大，为防止使用过程产生变形或开裂，采用喷砂处理将其消除。
（5）其他加工
SLM 工艺的技术优势在于成型内部具有复杂、非规则结构的工件。注塑模具内部具有冷却通道，外部具有各种结构类型，如凸台、凹孔等。目前，由于SLM 工艺成型的工件表面粗糙度较大，精度难以控制，将SLM 成型的模具直接应用于塑料成型还不成熟，尤其是对表面光洁度、精度要求较高的塑料制件。因此，还需要借助其他传统机械加工方式进行后续加工，才能满足模具的精度、表面质量等要求。
3 3D 打印技术制造模具的应用研究
目前，在国内，3D 打印技术在模具中的应用研究，大多基于各研究单位自身在3D 打印技术研究的基础上进行的，如华中科技大学[1-3]、华南理工大学[4-8]、北京航空航天大学[9-10]，部分高校利用国产化设备也进行了一些相应研究，如中北大学[11-13]，并取得了一定的进展。
2005 年，华中科技大学鲁中良等[14] 基于国内对注塑模、直线冷却水道设计的研究成果及国外对注塑模随形冷却水道的建立规则，提出了基于注塑模与注塑件均匀冷却的设计方法。根据该设计方法制造出电池盒注塑模，相对于直线冷却水道而言，采用带有随形冷却水道的注塑模成型电池盒注塑件，其成型周期减少约20%，变形减少约10%。2007 年，华中科技大学伍志刚，史玉升等[15-16] 提出了基于离散/ 聚集模型的随形冷却水道的设计方法，建立了截面为圆形、椭圆形、半椭圆形、U 形的冷却水道的传热模型，并使用SLS成功制造了香盒模具，模具如图3 所示，其冷却水道设计思路示意图如图4 所示。
4 3D 打印制造模具的应用实例
下例是江苏永年激光成型技术有限公司利用SLM 三维打印技术制造的长虹B4500 平板电视底座支架的随形冷却注塑模具，如图5 至图9 所示。
模具效果如表1 所示。与使用铍铜做镶件相比，可以使得冷却周期从50s 降低到25s，冷却效率提高了一半。
5. 结束语
从以上案例可以看出，随形冷却具有很高的冷却效率，可减少制品的翘曲形变，提高生产效率。目前，国内进行3D 打印模具应用研究的企业并不多，未来利用3D 打印技术进行模具制造是一个很好的发展方向。
从3D 打印的应用来看，航空航天、军工领域技术要求较高，医疗领域准入条件高、个性化定制需求有限，而在模具行业，结合众多模具企业和模具专业镇的基础优势，3D 打印的推广和应用更具有优势。但从就当前国内3D 打印技术的发展状况、市场应用程度来看，短期内，3D 打印技术无法替代传统模具制造技术。主要有以下几方面的原因：（1）尺寸精度。3D 打印技术目前所能达到的尺寸精度和表面粗糙度还不能完全满足精密模具的设计要求，这是限制3D 打印技术在模具中应用的一个关键点。如果3D 打印制造的模具需要过多的后续机械加工，这就会再次增加模具的制造成本，增加了模具的制造周期。日本研发的3D 打印与铣削复合的加工系统提供了一个很好的借鉴，充分结合3D 打印和传统加工二者的优势，这是解决3D 打印精度难以控制的一个思路。
（2）成本因素。采用3D 打印技术制造模具的成本较贵，由于表面粗糙度和精度难以满足要求，需要采用后续的机械加工，这无疑再次增加了成本，同时，后续的机械加工中，3D 打印的零件在机床上的定位较难，将花费较多的人力成本。
（3）力学性能。3D 打印制造的零件并不是100% 致密的，零件存在微细的孔洞，这些孔洞对材料的力学性能有着一定的影响。
总的说来，除去采用3D 打印技术制造手板，3D 打印在注塑模具中的应用最主要优势在于随形冷却水道的加工，而由于成本和尺寸精度方面的问题，其能够快速制造零件的特性相对于传统机械制造来说，优势并不明显，尤其是在加工制造较大型的模具零件时。要采用3D 打印技术制造模具的必要条件是模具需要使用随形冷却技术，例如，某些制品局部存在冷却困难，严重制约制品的生产效率；某些制品存在冷却不均，严重影响制品的使用性能；这些情况下，采用随形冷却技术可获得较大的改善效果，那么，采用3D 打印技术制造这些模具镶件才会更具优势。
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