3D打印技术在注塑模具中的应用与研究
摘要:3d打印未来发展方向本文简述了3D打印技术的原理及应用，以及我国塑料模具技术的发展现状，并对3D打印技术在注射塑模具设计中的应用与存在问题进行分析与探讨，分析了3D打印技术在注塑模具制造中的优势和发展。
关键词:3D打印技术；3D随形冷却水路；注射模具；模具制造；设计应用
一、前言 
3D打印技术被称之为增材制造技术，出现在20世纪90年代中期，是集数控技术、激光技术、机械技术以及材料技术等为本体的新型成型技术。3D打印是快速成型技术中的关键，也是我国经济发展的重要趋势。当前，在我国现代科技不断发展的背景下，3D打印技术水平发展迅速，可与现代注射模具制造技术相互融合，解决注射模具制造技术中存在的难题，从而进一步提升模具性能，缩短生产周期。因此，分析我国塑料注射模具制造技术发展现状，明确3D打印技术在塑料注射模具设计与制造中的具体优势，并探讨3D打印技术应用于注射模具设计与制造可能出现的各种问题。
二、3D打印技术的原理
3D打印技术能够基于传统平面印刷技术，以计算三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末一层层在工作平台上进行堆叠，通过新型打印材料打印工艺和软件控制，实现二维实物3D打印，3D打印技术包括二维软件建模，如通过CAD软件快速建模可以提高对软件处理的效率，同时增强3D建模的质量。后分层可以将二维数据转换为三维数据，沿着平面被切割成不同切片，且每一个切片都记录着3D打印信息。分割切片越多，产品尺寸精度越高，甚至更接近于原始数据。但是，分层与打印机设备质量和打印材料具有密切关联。打印中通过读取3D图片信息，能够将液体、胶凝状以及粉末状材料组合，根据不同形状的分层喷涂材料，最终形成三维产品，如图1所示。
图1：3D打印
三、我国注塑模具的发展与现状
因模具材料及热处理工艺、模具制造工艺的限制，我国在交货期、模具质量和寿命方而与国外相比还有一定的差距。目前，汽车保险杠、洗衣机桶等大型模具我国已能自主设计制造。据报道，我国最大的注射模具单套质量己超过50吨。此外，我国已能生产塑件精度很高的精密模具，最精密的注射模具精度可达2μｍ。总体来说，低端模具占有很大比例，一些特别复杂的精密、先进的高端模具仍需进口。随着社会的发展，人们对塑料产品的要求越来越高，因此塑料模具势必朝着精度更高、寿命更长、效率更高的方向发展。随着3D打印技术的出现和发展，可以将3D打印技术应用于塑料模具设计与制造领域，缩短新型模具的开发周期，突破注射模具利用传统加工方法无法解决的一些技术壁垒。3D打印技术的出现与普及可以为模具设计、制造提供全新的思考方向。在模具行业中，金属3D打印可以制作特殊结构的模具零件，如3D打印随形水路，有效解决了传统制加工难以实现的难点，3D打印随形水路系统的应用更加有效的提高模具冷却效率，提高制件质量，缩短成型周期，提高生产效率。
四、3D打印技术在注射模具中的应用
（1）新产品的开发。产品设计随着时代的发展不断更新，随着3D打印技术的发展与应用，设计工程师能更专注于产品外观的创新和功能的实现。在产品设计过程中，3D打印技术应用是整个设计的关键，设计工程师能够在设计阶段更加完美的变为实物，为设计工程师提供交流讨论的保障，比较它们之前的结构外形和功能的差异，也更能反映出产品设计存在的问题，从而进行设计修改，重复设计创新过程，直径产品完善满足设计要求。
（2）新模具的开发。目前我国模具企业使用3D打印技术最多，常用于手板样品的打印，对产品结构外观进行验证后格后才开模具制造。以往对于技术复杂的新型超多腔模具，开发时往往需要先制造一副单腔模，在单腔模调试没有问题的情况下再制造多腔模。应用传统模具制造方法，需将除标准件以外的零件一一加工好后进行装配、试模。结构复杂的模具零件加工的时间较长，延长了模具的开发周期。此时，可以结合3D打印技术的优势，将结构复杂、传统加上方法不易加工的零件用3D打印技术加工，缩短模具开发周期，提高设计的整体灵活性，节约生产成本。3D打印流程，如图2所示。
图2：3D打印流程
（3）新型冷却系统的设计开发。一个完整的注射成型周期包括塑化、合模、注射、保压、冷却和开模取件6个环节，其中冷却环节时间占整个成型周期的2/3以上。所以，要提高生产效率，缩短成型周期的最好办法是缩短冷却时间，提高冷却效率。而金属3D打印在模具制造中可以得到很好的解决方案，针对模具局部镶件的打印，3D打印随形运水系统可以不受零件内部结构形状约束，能够灵活的根据模具镶件结构设计随形冷却系统，将模具冷却系统越贴近产品的表面，其与塑件的形状越一致，冷却效率越高。但是，限于传统加工技术工艺以及避免和推杆孔干涉，很难做到冷却水路和产品形状一致，致使冷却效率低。因为冷却水路距
离产品表而距离不一致，产品存在冷却盲区，导致产品冷却不均匀，引发翘曲变形、内应力大等质量问题。不管是从提高产品的生产效率还是从提高产品质量上来讲，设计制造新型的随形水路势在必行。研究表明，在某型号净水器滤瓶盖注射模研究中，对传统冷却系统和随形冷却系统的冷却效果行分析对比，结果与传统冷却水路相比，随形水路冷却方案的冷却效率提高了28.2%，周期内模具温度分布均匀性提高了40.6%，冷却结束时模具温度分布均匀性提高了87.7%，产品表而温度均匀性提高了87.1%。可见，随形水路能有效改善冷却效果，显著提升冷却效率和生产效率，具有很大的冷却优势。在关于某大型盒状产品后盖模具研究中，对传统水路和随形水路的冷却结果进行对比，随形水路的冷却效率比传统水路提高了35.64%，产品表面温度分布均匀性提高了24.95%。同时，对传统水路和随形水路的尺寸稳定性和翘曲变形结果进行对比，随形水路比传统水路的X和Y方向的最大位移分别改善了39.77%和51.71%}翘曲变形减小了35.09%。这些研究说明，随着3D打印技术的不断提高，在模具行业中应用更加灵活，使设计者不再受传统水路加工手段的限制，把冷却水路更加均匀的排布在模具成型镶件中，随形水路能够显著提高冷却效率和冷却均匀性，使模具深腔区域快速冷却，缩短成型周期，提高塑件的生产效率和制件的质量，使得产品单件成本降低。
五、3D打印技术应用在注射模具领域应用中存在的问题
（1）费用高，难以普及。目前，金属材料3D打印都是以克为单位计价的，市场上一般每克5元起价。价格偏高导致3D打印技术难以应用，一般的注射模具，只可应用于高端、附加值高的注射模具或者质量要求特别高的塑件。此外，其他冷却形式难以保证其质量时，使用3D打印的随形冷却系统。
（2）3D打印注射模具随形水路渗水。3D打印费用高昂，目前业界只用3D打印技术制造模具零件的关键部分，底座部分仍用传统的加工方法加工，然后将二者连接起来形成一个模芯，二者连接处存在渗水问题。目前，3D打印技术仍处于研究发展阶段，可选择的模具钢材料有限，材料本身的性能，3D打印参数的设定都会影响模具零件的质量，导致渗水情况的出现。
（3）难以保证模具零件的机械强度。因3D打印可选择的模具材料有限及其本身的加工方法，业界一直认为3D打印的模具零件机械强度不及传统加工方法加上的模具零件，所以不宜用于长寿命的模具。但是，部分企业认为3D打印的模具零件和传统方法加工的模具零件机械强度不相上下，硬度能达到HRC 48~52。
（4）模具的尺寸有限制。目前，最大的3D打印机是大连理工大学教授尧山和他的团队在2013年设计和开发成功的，工作台尺寸为1800×1800mm，但是不能满足制造大型模具产业
要求。与传统的模具制造技术相比，3D打印还有很多局限，尚无法完全取代传统模具制造技术的方法，需进一步开展研究。
六、结语
总之，随着科学技术水平的大幅提高，塑料注射模具行业迎来了新的生机。将3D打印技术应用于塑料注射模具领域，可以缩短新产品的开发周期，大幅度提高塑料产品的生产效率和产品质量。尽管3D打印技术在塑料模具领域中的应用还处于起步阶段，但随着技术的发展和新材料的开发，3D打印技术在注射模具领域中的应用会越来越广泛，存在的问题也会随着科技的发展得到有效解决。但3D打印技术给模具制造带来的改变是巨大的，将3D打印技术应用到注塑模具设计和制造中会是一种趋势，尤其是对我国模具制造企业是一个很好的发展方向，因此对3D打印技术的推广和应用会更具优势。

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