吴成龙,等,,,打印技术在模具行业中的应用现状,,,,打印技术在模具行业中的应用现状成龙,,刘斌,,张步跃,,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,广州,,,,,,东莞市广正模具塑胶有限公司,广东东莞,,,,,,,要,本文首先探讨了使用,,打印技术制造模具的流程、,,打印技术在模具中的应用研究及应用实例,然后,,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,,打印技术应用的发展方。键词,,,打印,增材制造,模具制造,随形冷却,注射模具,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,‘,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,吐,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,打印,又称增材制造技术,是一种以三维,,模型文件为基础,应用粉状、丝状或片状等材,通过“分层制造、逐层叠加”的方式来构造三维体的技术。前应用比较广泛的,,打印成型工艺主要有,择性激光烧结,,,,,、选择性激光熔化,,,,,、直金属激光烧结,,,,,,、立体光固化成型,,,,,、融沉积成型,,,,,、分层物体制造,,,,,等,不类型的工艺在不同的领域有着应用的优势。,打印技术在模具行业中的应用,主要分为,方面,,,直接制作手板,上述几种,,打印工艺都能作手板,只是制作出来的手板的精度、强度和表面量有区别,这也是目前,,打印技术最常见的应方式,,,间接制造模具,即利用,,打印的原型件,过不同的工艺方法翻制模具,如硅橡胶模具、石膏具、环氧树脂模具、砂型模具等,,,直接制造模具,即利用,,,,,,,,,,,,,,打印工艺直接制造软质模具或硬质模具,主是金属,,打印技术。利用,,打印技术的模具制造流程用,,打印技术直接制造模具的流程如图所示,以,,,工艺为例,,可分为成型前准备、,,成型和成型后处理,个阶段。成型前准备包模具模型的,,建模、,,,格式转化、添加支撑结、确定工艺参数、进行分层切片等数据处理,,,,型阶段属于自动化加工,人工干预较少,只需对,,设备的工作状况进行监控,保证设备的正常运即可,成型后处理包括取件、清粉、喷砂、表面打、Kaiyun官网 登录入口抛光以及其他加工等。下面具体讲述利用,,,艺制造模具的过程。,—,一网,——一叵虽刮舞圈圆,利用,,打印技术,以,,,工艺为例,直接制造模具的流崔图,,成型前处理,,模型设计。型设计是模具制造的第,步,直接决定了模的外形特征,例如随形冷却注塑模具,设计时不仅要考虑冷却的效果,还需要考虑加工工艺的限制采用的模具组合方式等因素。冷却的效果要兼顾却效率和冷却质量两个方面,需要优化冷却通道排布和结构特征,冷却通道的设计原则和方法等,工工艺限制主要是针对,,,工艺的成型特性,设计时对某些特征进行处理,以保证模具在成型,,,,,,年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集造时不会导致特征丢失,例如,微小特征、悬空结等,随形冷却注塑模具比较经济和实用的模具组方式是镶嵌式。,,添加支撑。加支撑的目的主要有两方面,一是为了将成工件固定在基板上,这是由于在模具成型的过程,由于铺粉时需要将粉料均匀紧密地平铺在基板,铺粉时存在一定的剪切力,若成型零件在基板上固定或固定不足,轻微的移位会导致加工完成的件错层,严重时工件有可能卡住铺粉装置,损坏设。Kaiyun官网 登录入口因此,需要足够的支撑将成型工件固定。二是了防止特定结构打印时的特征丢失,这主要是针倾角较大的结构。加支撑是成型前处理的重要工作,对工件的型质量有着重要影响。不同加工设备的支撑有所别,主要分为两类,一类是交错的网状结构,主要用于底面平直部分较大的工件支撑,另一类是片的支撑,应用于圆柱面等非平直曲面的支撑。最的支撑高度,即最低成型面到基板平面的距离,过则造成工件的总成型高度过大,所需的铺粉粉料量变大,过低则会造成取件困难,综合考虑,一般择,,,,。,,确定工艺参数。艺参数直接决定了成型工件的质量。工艺参包括铺粉厚度、激光扫描速度、扫描方式、工件摆的空间位置等。,,成型后处理,,取件。,打印成型完毕后,打印工件淹没在粉料里,件时先将熔结产生的废料清除,防止废料污染粉,然后将工作台上升,在加工仓内进行初步的清,使用毛刷将未烧结的、依附在工件表面的粉料清入粉料回收缸,以备循环使用,最后将工件和基板并取出。,,去除支撑。件后,需将丁件与基板分离,通常采用线切、锯等方式。线切割分离时间较长,多用于支撑较、支撑连接处具有薄壁特征的工件分离,因为该分方式较为柔和,不会造成工件变形。当工件较小、撑较少,或支撑连接处为实心结构时,为节省分离间,也可以采用凿子直接将工件取下。,,清粉。粉主要针对模具的冷却通道部分,可以采用刷直接清粉,也可以使用吸尘器或吹风机等辅助备去除滞留在冷却管道内部的粉料。冷却通道的构对清粉难度有一定的影响,例如直径、通道曲率径等。,,喷砂。砂主要有以下两个目的,①喷砂能清理粘连工件表面的粉料,提高工件的光洁度和精度。工表面在成型时会粘连少量未完全烧结的粉料,连强度虽然较低但清粉时难以去除,因此采用喷砂理。②消除热应力,提高工件的力学性能。粉料烧结的过程中,热应力积累,成型的工件内应力,为防止使用过程产生变形或开裂,采用喷砂处理其消除。,,其他加工。,,工艺的技术优势在于成型内部具有复杂、规则结构的工件。注塑模具内部具有冷却通道,部具有各种结构类型,如凸台、凹孔等。目前,由,,,工艺成型的工件表面粗糙度较大,精度难控制,将,,,成型的模具直接应用于塑料成型不成熟,尤其是对表面光洁度、精度要求较高的塑制件。因此,还需要借助其他传统机械加工方式行后续加工,才能满足模具的精度、表面质量等要。,,打印技术制造模具的应用研究前,在国内, ,,打印技术在模具中的应用研大多基于各研究单位在,,打印技术自身研究的础上进行的,如华中科技大学【 ,。 ,,、华南理工大学引、北京航空航天大学…们,部分高校利用国产化备也进行了一些相应研究,如中北大学¨ ,。 ” 】 ,并得了一定的进展。,,,年,华中科技大学鲁中良等¨ ,,基于国内注塑模、直线冷却水道设计的研究成果及国外对塑模随形冷却水道的建立规则,提出了基于注塑与注塑件均匀冷却的设计方法。根据该设计方法造出电池盒注塑模,相对于直线冷却水道而言,采带有随形冷却水道的注塑模成型电池盒注塑件,成型周期减少约,,,,变形减少约,,,。 ,,,,年,巾科技大学伍志刚,史玉升等,,—,,提出了基于离,聚集模型的随形冷却水道的设计方法,建立了面为圆形、椭圆形、半椭圆形、 ,形的冷却水道的热模型,并使用,,,成功制造了香盒模具,模具图,所示,其冷却水道设计思路示意图如图,所。吴成龙,等, ,,打印技术在模具行业中的应用现状,,打印制造模具的应用实例,,图,示出江苏永年激光成型技术有限公利用,,,三维打印技术制造的长虹,,,,,平板视底座支架的随形冷却注塑模具。,制品镶件示意罔,动模小镊件传统冷却与随形冷却对比具效果如表,所示。与使用铍铜做镶件相比,以使得冷却周期从,,降低到,,,冷却效率提了一半。结语以上案例可以看出,随形冷却具有很高的冷,抛, ,【 ,,装眦。 , ,后的,,,唧摸具,模具效果对比目丽害掣,总结通水道形水路…一…料铜具钢铜导热性优于模具钢,冷却周期降低,,,却周期, ,。,, ‘纛墓熊幸浇却周期降低,,,,,模断裂,”…” ,” ”效率,可减少制品的翘曲形变,提高生产效率。 目, 国内进行,,打印模具应用研究的企业并不多,来利用,,打印技术进行模具制造是一个很好的展方向。,,打印的应用来看,航空航天、军工领域技要求较高,医疗领域准入条件高、个性化定制需求限,而在模具行业,结合众多模具企业和模具专业的基础优势, ,,打印的推广和应用更具有优势。从就当前国内,,打印技术的发展状况、市场应程度来看,短期内, ,,打印技术无法替代传统模制造技术。主要有以下几方面的原因。,,尺寸精度。 ,,打印技术目前所能达到的尺精度和表面粗糙度还不能完全满足精密模具的设要求,这是限制,,打印技术在模具中应用的一关键点。如果,,打印制造的模具需要过多的后机械加工,这就会再次增加模具的制造成本,增加模具的制造周期。 日本研发的,,打印与铣削复的加工系统提供了一个很好的借鉴,充分结合,,印和传统加工二者的优势,这是解决,,打印精难以控制的一个思路。,,成本因素。采用,,打印技术制造模具的本较贵, 由于表面粗糙度和精度难以满足要求,需采用后续的机械加工,这无疑再次增加了成本, 同,¨ ,札,氖,酞誊一,嚣,, ,¨蠊哪∥, 《■啊,嘎、,,,,■■■,,胁—●■■■■■■●,,碘一囊,,,,,,,年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集,后续的机械加工中, ,,打印的零件在机床上的位较难,将花费较多的人力成本。,,力学性能。 ,,打印制造的零件并不是,,,致密的,零件存在微细的孔洞,这些孔洞对材的力学性能有着一定的影响。的说来,除去采用,,打印技术制造手板, ,,印在注塑模具中的应用最主要优势在于随形冷却道的加工,而由于成本和尺寸精度方面的问题,能够快速制造零件的特性相对于传统机械制造来,优势并不明显,尤其是在加工制造较大型的模具件时。要采用,,打印技术制造模具的必要条件模具需要使用随形冷却技术,例如,某些制品局部在冷却困难,严重制约制品的生产效率,某些制存在冷却不均,严重影响制品的使用性能,这些况下,采用随形冷却技术可获得较大的改善效果,么,采用,,打印技术制造这些模具镶件才会更优势。考文献,,王黎 选择性激光熔化成形金属零件性能研究【,, 武汉,华中技大学, ,,,, ,】杜艳迎 粉末激光快速成形与等静压复合过程工艺与数值模拟究,,】 武汉,华中科技人学, ,,,, ,,袁学兵,魏青松,文世峰,等 选择性激光熔化,,,, ,,,,合金粉研究,,, 热加工工艺, ,,,,, ,,,,,, ,,—,,,】王迪 选区激光融化成型不锈钢零件特性与工艺研究,,, 广州,南理工大学, ,,,, ,,杨永强,叶梓恒,王迪,等 ,,打印设备国内产业化可行性分析,, 新材料产业, ,,,,,,,, ,,,,, ,,郑潇剑 激光选区烧结设备改进及人工胫骨垫片设计与制造研,,】 广州,华南理工大学, ,,,,,,宋长辉 基于激光选区熔化技术的个性化植入体设计与直接制研究【,, 广州,华南理工大学, ,,,,,】杨永强,刘洋,宋长辉 金属零件,,打印技术现状及研究进展叨电工程技术, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,王华明 高性能大型金属构件激光增材制造,若干材料基础问题,】 航空学报, ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,陈永城,张述泉, 田象军等 激光熔化沉积,,,,铝合金显微组及显微硬度,,, 中国激光, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,,王海丽,刘斌,刘和平,等 选区激光熔化镍基合金粉末,,,,,织与力学性能分析,,, 热加工工艺, ,,,,, ,,,,,,, ,,,,, ,,,杜胶义,刘斌,刘和平 选区激光熔化工艺参数对,,,,,,成型致密度的影响【,, 热加工工艺, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,】杜胶义 ,,,,,,镍基合金粉末选区激光熔化基础工艺研究,,】原, 中北大学, ,,,, ,,,鲁中良,史玉升,刘锦辉,等 注塑模随形冷却水道设计与制造术概述叨 中国机械工程, ,,,,,,,,, ,,,—,,,,,,伍志刚 随形冷却注塑模的设计与制造关键技术研究【,, 武汉,中科技大学, ,,,,,,】史玉升,伍志刚,魏青松,等 随形冷却对注塑成型和生产效率影响,,】 ,华中科技大学学报, ,,,,, ,,,,,, ,,“ ,,