杨仕杰 翁玲玲 袁玉红
贵州师范大学机械与电气工程学院 贵州贵阳 550025
摘要：介绍了3D打印技术模具设计制造技术的特点、应用及发展状况，举例阐述该技术目前在工业、医学，职业教育等领域中的运用。
关键词：3D打印技术; 模具设计制造
1、引言
3D打印技术是在以数字模型文件为基础，通过计算机数字化系统，将金属或塑料等粉末状材料及粘合剂等材料，通过一层一层的打印、在一层一层的叠加循环的方式来完成实体造型的一种快速成型技术。随着当前科技和经济的飞跃发展，3D打印技术已经逐步运用到工业设计、模具制造等领域，并且随着3D打印快速成型技术的不断优化与进步，也慢慢的运用到了考古、医疗产业、航空航天、地理信息系统、工程施工、服饰、食物等新兴领域之中[1]，为进一步巩固我国的综合制造发展水平搭建了一个更为广阔的舞台。
2、3D打印模具制造技术发展状况
当今时代对于模具设备的要求越来越高，对于工业与工艺发展起着决定性的关键作用。模具技术的发展同样制约着国家工业产业的发展，国家工业水平的最高体现之一也来源于模具设备技术的创新，此为国家工业与工艺发展的重点攻关领域。
2.1国内模具制造技术现况
中国是制造业大国，但目前大规模工业制造技术并不完善，传统的模具设备技术依然存在着大量的缺陷，目前，国内传统模具设备制造流程：模具图纸—工艺分析—加工设计-机床选择—仿真加工—修改—机床加工。
传统模具制造技术仍旧存在三类局限，具体体现为：1、传统模具设备对技术人员的知识与技能要求较高，人工操作工艺流程较繁琐，且不同规格零部件设计复杂，越繁琐的工艺流程和零部件越难以操作[1]。2、传统模具设备技术功能类别单一，多个工序流程才能完成一个零部件的设计，且改动零部件模型便会导致一系列辅助工序跟着变化，耗材甚多。3、传统模具设备大多是减材制造技术为主，材料利用率较低。而引入3D打印技术到传统模具设备设计中能够很好的解决上述问题，增材制造技术是3D打印技术的核心，其工艺流程：模具CAD设计—添加支撑—确定工艺参数—3D打印—取件—去除支撑—机械加工及其它处理。
在3D打印模具技术中，三维数字模型在计算机辅助软件内可转化为实物造型。迅捷、便利且精确，可以打印复杂的模具型腔。对操作人员的技术要求较低，节省了大量冗杂的中间制造环节，在缩短生产周期的同时还提升了工作效率。故此， 将3D打印技术与传统模具设备技术相结合，有利于新型模具制造技术的发展 [2]。
2.2 国外3D打印模具制造技术现况
当前，国外的3D打印模具设备技术发展迅猛。设计成品的性能需求可以通过3D打印技术来完成，并且自动化与计算机结合的新技术快速发展，将更先进的人工智能与模具设计制造技术融合在一起。据不完全统计，国外大量应用快速制模与快速成型技术，欧洲各国尤为看重快速制模和快速成型技术。。目前有FDM、SLA、DLP、、LOM、SLS和EBSLA等各种类型的快速成型设备，也有来自特定公司提供的模具技术，从而推动模具技术的进一步发展。
3、3D打印模具技术举例
3.1 3D打印在模具工业上的应用
目前3D打印技术在模具行业中较为普遍的应用在如下几个方面：1、直接制作手板，将传统的手工或者CNC制作制造技术用3D打印技术替代，可以实现在一次无需装夹的成型中打印各种复杂形状的结构复杂模型直接制造2、间接制造模具，将AM技术与传统模具翻制技术相结合来制造模具产品。利用3D打印技术结合传统模具制造技术来设计制造模具，比如用3D打印塑料模具原型，再根据不同的要求,结合不同的工艺进行翻制模具。3、直接制造模具，将三维数字模型直接打印成型[3]。
3D打印技术属于新兴产业，在直接制造模具中还需进一步开发。究其原因在于模具的力学性能要求高，要打印高要求的力学性能的模具，使用打印材料大多为金属粉末，而打印金属粉末对3D打印机的性能较高，价格比较昂贵。常规的3D打印机的性能、规模等都基本还达不到打印金属粉末的要求。使用的金属粉末材料的性能要求高，原材料的制取困难，金属粉末要求粒径分布要窄、纯净度要高、氧含量要低、球形度要好。3D打印的材料品种少、且价格昂贵，所以将来用3D技术直接打印模具的研究需要进一步发展。
3.2 3D打印模具在医学上的应用
3D打印技术具有个性化、高精度等优点，特别适合应用于医疗行业。目前，3D打印技术应用范围较广，现大量应用于口腔修复、手术导板、假肢和矫正器等。例如在传统制作义齿时，通常有以下问题：患者需要多次就诊、制作周期长、对医生和技师的经验依赖程度较高、戴入后功能不容易适合等，但随着3D打印技术的发展，工厂里通常使用扫描收集到患者的牙齿数据，通过3D打印设备将其牙齿模型打印出来，如图1所示。再将加工制作好的义齿与牙模进行佩戴，便可得知加工好的义齿是否合格，这样提高了效率和患者真实体验感。
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图1 3D打印义齿模具
3.3 3D打印在模具设计制造在职业教育上的应用
在高校模具课程教学过程中，学生运用3D打印技术将设计的模具打印制作出来，验证设计的合理性，可以加深对知识的理解和应用。如：打印图2所示锻造模具，这种任务型教学改变学生的思维，使其对专业学习更加感兴趣。
在教学时可采用CAD建模、UG建模、Solidworks建模（如图2）等，让学生学会建模，锻炼学生的设计能力利用 3D 打印技术，可以使学生的设计思想得以快速实现。可以打印出模具形状，然后通过比，可以直接找出不符合模具设计制造的设计，然后能最快速度对其进行修改，帮助提高学生的设计能力。
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图2 齿轮坯热锻模
4、总结
3D打印技术在模具中的应用标志着我国工业的进步，需要在模具设计和制造行业大力推广3D打印。目前3D打印模具技术还有许多问题，所以还需要更加深入研究。届时3D打印模具技术会更加成熟，运用也会越来越广，模具设计和加工过程的效率也随之提高。
参考文献：
[1]张静.3D打印技术在模具行业中的应用研究[J].科技风,2017(26):141~142
[2]艾亮.3D打印技术在模具制造领域应用探讨[J].南方农机,2019,50(17):112~113
[3]陈琳.3D打印技术在注射模中的应用.[J].模具制造，2017,17（12）59~62
[4] 陈隆波.3D打印技术在模具行业中的应用现状[J].南方农机,2018,49(11):9~15.
基金项目：贵州师范大学2019级大学生创新创业训练计划（201910663010），贵州师范大学2019年度教学内容和课程体系改革项目（【2019】第2号）