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3D打印技术在模具行业中的应用现状

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:荣格

2015-05-26 14:23

     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 Laser Melting,SLM)、直接金属激光烧结(Direct metal 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 Object Manufacturing,LOM)等,不同类型的工艺在不同的领域有着应用的优势。

图1  传统的模具制造过程

     3D打印技术在模具行业中的应用,主要分为三个方面:

(1)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)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)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。

图2  利用3D打印技术(以SLM工艺为例)直接制造模具的流程图

     2、3D打印在模具制造中的应用

     2.1  3D打印技术的优越性

  (1)3D打印技术在生产过程中能实现生产材料“零”浪费。3D打印技术的生产过程是根据零件的三维设计进行逐层打印,与传统的“减材”加工相比,实现了生产材料的“零”浪费。

  (2)利用3D打印技术可以加快产品的研发进度。3D打印技术改变了设计者的思维方式,他们会根据零件承重、受力部位的不同进行思考。

  (3)利用3D打印技术可以大大缩短生产周期。3D打印技术从设计到生产,省去了传统加工过程中工艺设计与求证的过程,缩短了生产周期,并能根据市场需求,及时调整生产批量。

  (4)利用3D打印技术可以大量减少设计、生产过程中的人力资源。

  (5)利用3D打印技术可以制造具有特殊结构的模具,如随形冷却模具,这是传统制造方法难以实现的,也是3D打印技术在模具行业应用中的一大亮点。随形冷却模具具有诸多优势,可以提高模具的冷却效率,使得制品冷却趋于均匀化,提高了产品质量和生产效率。

图3  香盒随形冷却注塑模具

     2.2  传统的模具制造过程

     传统的模具制造过程是,在接单后还需对接单项目进行评审,评审过关后制定生产进度表,然后进行3D软件修正、模流分析、分型线及进料点确定,最后反馈给客户定稿,客户满意后才能确定制造用的零件图,才可以准备加工流程。其加工流程如图1所示。从图1可见,采用传统的模具制造过程加工出一个合格的模具所需要的人力、物力较多,生产周期较长。

     2.3  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。

图4  随形冷却水道设计思路示意图

     2.3.1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。

表1  模具效果对比

    (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。

     2.3.2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。