东莞市技师学院
摘要：本文主要对我国模具制造技术的现状，以及3D打印技术在模具制造中的优势进行了深刻的分析和探讨，从而为促进我国相关行业的发展提供帮助。
关键词：3D打印技术；模具制造；应用分析
3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。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。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
一、3D打印原理技术
日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属粉末、陶瓷粉末、塑料、砂粒等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。
3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。
二、3D打印过程
1、三维设计
三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。
设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。[14]
2、切片处理
打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。
打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素/英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。
传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。
3、完成打印
三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶物）作为支撑物。
三、3D打印技术在进行模具制造时的优点
随着科学技术水平的显著提升，模具制造行业在发展的过程中，逐步将3D打印技术运用到了模具制造之中。
并且直接运用到了成型、铸模、机械加工、装配和检验、机器人末端执行器等环节之中，拥有着极大的优势。
1.降低制造成本
虽然利用3D打印技术进行金属方面的制造工作需要投入更高的成本，但是在塑料制品方面，在资金投入方面却相对比较低廉。部分材料其本身拥有着极高的成本，使用这种材料进行传统的方式模具材料的制造的话，要是出现了哪怕小小的一点失误，都会导致材料的报废。因此，利用价格比较昂贵的材料进行模具制造，会产生比较高的报废率，得不偿失。但是如果使用3D打印技术进行模具制造的话，3D打印的灵活性就能够帮助工程师同时尝试无数次的迭代，并可以在一定程度上减少因模具设计修改引起的前期成本，对于模具的生产有着极大的帮助，有利于促进制造成本的进一步降低。
2.缩短生产周期
3D打印这项技术能够利用计算机去进行三维的设计并将其转化变成实物的模型，这样一个过程具有自动、效率高、快速、精确以及直接等优点，进而可以使得模具的生产周期大大地缩短。利用3D打印这种技术去制造模具，可以在短时内就完成制造模具的相关过程，这可以被认为是使模具实现从平面图转化为实体的一个飞跃。使用传统的方式制造模具需要在前期进行大量资金的投入才能使得模具后期制作的质量能够保证，因此在进行实际的模具制造过程中，需要对设计的方案进行严格讨论，一旦发现质量方面的问题，就需要为了使损失减少而推迟或者是放弃对产品的设计以及更新。但如果是采用3D打印这项技术去制造模具，就可以很好地促进企业更新换代的进程，推动企业的发展。
3.打印精度高
3D打印技术是利用计算机三维制作软件来完成初步建模操作的，这一过程需要精确细心。将每一个产品模型的尺寸大小都记录在计算机里，对于复杂一些的模型来讲，通过计算机的运算要比传统手工制作的精确度高很多，制作出来的产品的精度当然也高。尤其是对于曲面模具的制作，要求精度更高，而3D打印技术制作能够精准地完成。
4.为产品的发展提供更多的可能性
随着对3D打印这项技术的进一步使用，可以利用其将计算机中任一形状的三维图形转化实物的产品，在这样一个过程中可以减少对于机床、刀具以及夹具等机械零件的使用。且由于我国相关的技术水平的不断提高，以及材料种类的增加，我国3D打印的技术开始朝着多元化这一进程发展，促进了我国在3D打印这项技术方面水平的持续提升，也推动了我国未来的更好发展。
四、3D打印技术在进行模具制造时的不足
1.模具的力学性能难以得到保证
力学性能作为零件的一个关键参数，其为零件的设计、选材、使用寿命以及失效分析等都提供了重要依据。据统计，因为材料的失效而带来的经济损失大概在发达国家的年度生产总值中占4%，而航空工业方面的材料失效在整个材料失效比重占据了5%，由此我们可以得知零件的力学性能的重要程度。为了保证零件能够具有规定的力学性能，传统数控切削这一加工过程会在生产时花大量时间去对零件做热处理和时效等有关处理。但是3D打印这项技术却不具备这一过程，因此利用其得到的零件其力学的性能方面很难得到保证。
2.模具的尺寸受到限制
目前国内最大的3D打印机是由大连理工大学的姚山教授及其所在团队于2013年成功设计和研制出来的，其工作面的尺寸为1.8 m×1.8 m，这台3D打印机的工作原理采用“轮廓线扫描”技术，比传统技术的激光3D打印机加工时间缩短35%，制造成本降低40%。但遗憾的是这依旧没有办法满足在工业上对制造大型模具方面的要求。3D打印这项技术相比于传统模具制造的技术还存在优点以及不足，因此其目前还没有办法完全取代传统的模具制造的技术。但是随着我国有关技术方面的水平在显著提升，我国的3D打印这项技术也会跟随着时代的脚步而不断进步，进而促进模具制造这一行业能够高速、可持续地发展。
结束语：
现代化高科技发展已走近了人们的日常生活中，这是今后现代化技术发展的一个趋势。而在模具制造工艺中，3D打印技术有强大的优势，改善了传统模具制作耗时、成本高、产品精密度低、工作效率低等缺点，实现了工厂效益最大化，让模具制造行业走上了更高一层台阶。
参考文献：
[1]3D打印技术对模具制造技术的影响分析[J].邓平尧.无线互联科技.2018（18）
[2]关于现代模具制造的研究[J].李发致，卫原平，曾令寿.金属成形工艺.1998（02）
[3]3D打印在容器模具制造领域的应用[J].秦培凡，苏贺，李慧芸.科技创新与应用.2015（08）