鄭州白澤三維技術(shù)有限公司
白澤3D打印官網(wǎng)
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增材制造-3D打印技術(shù)其中一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是在無(wú)需模具的情況下直接制造出零部件，隨著3D打印材料的發(fā)展，增材制造質(zhì)量控制水平的提升，3D打印技術(shù)正在從少量原型產(chǎn)品的制造，向最終零部件的批量制造方向發(fā)展。如果從這個(gè)角度來(lái)看，3D打印技術(shù)與模具制造技術(shù)似乎是一對(duì)矛盾， 兩者之間有著替代關(guān)系。
但是同時(shí)，在發(fā)展的過(guò)程中3D打印技術(shù)憑借在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)與無(wú)模具直接制造方面的優(yōu)勢(shì)，又被應(yīng)用于模具制造當(dāng)中，這些應(yīng)用在提高模具全生命周期的綜合價(jià)值中發(fā)揮了重要作用，典型的應(yīng)用包括金屬3D打印制造注塑模具隨形冷
3d打印提升模具性能
各有千秋的3d打印技術(shù)
3d打印包含各種不同的技術(shù)，分別被應(yīng)用到隨形冷卻模具，熔模-精密鑄造，陶瓷模具-精密鑄造，砂型模具-重力鑄造，快速模具等細(xì)分領(lǐng)域。
應(yīng)用到砂型模具的3d打印技術(shù)類別主要是3DP-粘結(jié)劑噴射3d打印技術(shù)和SLS選區(qū)激光燒結(jié)3d打印技術(shù)。
制造熔模的3d打印技術(shù)類別很多，包括SLA/DLP/CLIP，材料是光敏樹(shù)脂；MJP/HSS，材料是尼龍；3DP粘結(jié)劑噴射3d打印技術(shù)，材料是亞克力（PMMA)；SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，材料主要是尼龍；以及FDM-熔融沉積成型技術(shù)，材料主要是ABS。
用于制造隨形冷卻模具的3d打印技術(shù)包括，基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3d打印技術(shù)（LPBF）（包括SLM/DMLS/EBM技術(shù))，DED定向能量沉積金屬3d打印技術(shù)，以及混合金屬3d打印技術(shù)（通?；贑NC數(shù)控加工設(shè)備）。
用于制造陶瓷模具的3d打印技術(shù)包括3DP-粘結(jié)劑噴射3d打印技術(shù)和DLP-數(shù)字光處理3d打印技術(shù)。DLP-數(shù)字光處理3d打印技術(shù)通常將樹(shù)脂材料與陶瓷材料混合打印出來(lái)，然后通過(guò)燒結(jié)將樹(shù)脂材料燃燒掉，從而留下陶瓷材料，形成陶瓷制品。
用于制造快速模具的3d打印技術(shù)通常包括FDM-熔融沉積成型技術(shù)以及DLP-數(shù)字光處理3d打印技術(shù)。在這方面，我們或許會(huì)疑惑，既然3d打印可以直接制造塑料產(chǎn)品，為什么還需要通過(guò)3d打印制造塑料材質(zhì)的快速模具，再獲得塑料產(chǎn)品呢？這其中的原因主要來(lái)自3d打印的塑料材料種類還十分有限，尤其是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，還不能完全實(shí)現(xiàn)真材制造（即3d打印的塑料與實(shí)際用于量產(chǎn)的塑料是一樣的），那么在這種情況下，為了獲得真材的驗(yàn)證，則需要通過(guò)3d打印快速模具來(lái)降低模具制造的成本與周期。
值得注意的是每種3d打印技術(shù)各有千秋，有的在尺寸方面有優(yōu)勢(shì)，有的在表面精度方面可以實(shí)現(xiàn)極為細(xì)節(jié)的精度，例如光固化工藝可以實(shí)現(xiàn)光滑精致的細(xì)節(jié)，從而被應(yīng)用與首飾的失蠟法鑄造方面。有的在膨脹率方面性能表現(xiàn)突出，例如PMMA亞克力材料用作熔模則不會(huì)發(fā)生“漲殼”情況。
成就更好的模具
l 隨形冷卻模具
其中，以3d打印在隨形冷卻模具的應(yīng)用中為一大典型應(yīng)用。注射成型過(guò)程中，冷卻所占比例約為成型周期的60%，因此冷卻周期很大程度上直接影響到生產(chǎn)周期。生產(chǎn)周期的降低可以大幅度提高生產(chǎn)效率，從而節(jié)約對(duì)注塑機(jī)設(shè)備、場(chǎng)地和人員的投資。大幅降低制造成本，提高模具企業(yè)的利潤(rùn)。
傳統(tǒng)生產(chǎn)加工中，我們所采用的冷卻管道為橫平豎直樣式，很多區(qū)域受到現(xiàn)有加工技術(shù)限制不能做冷卻管路，這樣極大了影響了最終成型周期及產(chǎn)品質(zhì)量。隨形冷卻采用粉末逐層燒結(jié)技術(shù)，這就賦予了設(shè)計(jì)的自由性，讓管路隨著產(chǎn)品的外形布局，讓設(shè)計(jì)者不再受加工技術(shù)的限制，讓所想即所見(jiàn)成為現(xiàn)實(shí)。
基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3d打印技術(shù)（LPBF）通常被用于加工隨形冷卻模具，這些模具的表面光潔度至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儗Q定最終注塑零件的外觀。因此，至關(guān)重要的是，在3d打印模具鑲件時(shí)必須具有非常穩(wěn)定的打印過(guò)程，以生產(chǎn)出高密度零件，從而在后加工后實(shí)現(xiàn)完美的表面光潔度，這些是3d打印技術(shù)本身最具挑戰(zhàn)性的要求。
模具應(yīng)用的另一個(gè)挑戰(zhàn)是與增材制造工藝可以處理的材料相關(guān)，基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3d打印技術(shù)（LPBF）本質(zhì)上是焊接過(guò)程，模具中常用的通過(guò)淬火達(dá)到硬化狀態(tài)的材料由于焊接性能較差而在大多數(shù)情況下不適合通過(guò)3d打印來(lái)加工。在3d打印模具制造中，通常使用不用于模具制造但可以滿足模具需求的金屬材料，最常見(jiàn)的材料是馬氏體時(shí)效鋼。
在這方面，金屬粉末供應(yīng)商正在對(duì)新材料進(jìn)行研究，以便滿足模具的特定需求（硬度，耐腐蝕性等），同時(shí)仍可進(jìn)行高質(zhì)量的3d打印。
值得注意的是，3d打印的隨形冷卻模具鑲件還可以用于壓鑄領(lǐng)域。總體來(lái)說(shuō)，無(wú)論是注塑還是高壓壓鑄，隨形冷卻設(shè)計(jì)和增材制造的結(jié)合通常都會(huì)簡(jiǎn)化模具設(shè)計(jì)。通過(guò)減少需要組裝的部件的數(shù)量（稱為組裝加固），從而消除或減少密封的需要。尤其是，所有的注塑車(chē)間都目睹了密封失效的后果，并且非常了解與冷卻泄漏有關(guān)的停機(jī)事件。
目前，在使用3d打印模具鑲件的注塑和高壓壓鑄公司內(nèi)部看來(lái)，金屬3d打印技術(shù)用于隨形冷卻模具制造已經(jīng)成熟。我們將越來(lái)越多的看到金屬3d打印不再僅僅用于原型設(shè)計(jì)部門(mén)，而是在生產(chǎn)環(huán)境中使用。
l 輪胎模具
根據(jù)GF 加工方案，在輪胎模具制造領(lǐng)域，3d打印技術(shù)有兩個(gè)層面的應(yīng)用：首先是復(fù)雜輪胎模具，尤其是高性能要求的冬季胎或雪地胎模具中的鋼片制造，這一技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外輪胎模具大廠中投入使用；另一個(gè)層面是復(fù)雜花紋模具的一體化制造，即無(wú)需單獨(dú)制造鋼片、鑲嵌鋼片，雖然目前仍存在變形、成本高等應(yīng)用難點(diǎn)，但這一應(yīng)用在工序簡(jiǎn)化和提升輪胎性能方面極具優(yōu)勢(shì)。
3d打印的鋼片仍面臨著在模具中進(jìn)行鑲嵌的問(wèn)題。當(dāng)前，鋼模多采取人工鑲嵌的方式，即在模具型腔內(nèi)加工出鋼片槽，然后用人工將加工好的鋼片鑲進(jìn)去。少量的鋼片在模具制造中不成問(wèn)題，但一副冬季胎模具經(jīng)常需要?jiǎng)虞m上千片的鋼片，有些特殊設(shè)計(jì)的輪胎甚至使用了超過(guò) 4000 片鋼片。
鋼片鑲嵌仍然是模具制造商十分困擾的問(wèn)題，尤其伴隨鋼片數(shù)量增加而來(lái)的鋼片距離減少，導(dǎo)致空間過(guò)小而難以施展，此問(wèn)題對(duì)于距離小于 5~ 6mm 時(shí)特別明顯。而通過(guò)金屬3d打印技術(shù)直接制造整塊復(fù)雜花紋模具，有望簡(jiǎn)化工序，克服目前鋼片鑲嵌中存在的困擾。事實(shí)上，增材制造行業(yè)里不乏此種嘗試，但是大多停留在技術(shù)驗(yàn)證階段，且并不具備量產(chǎn)性。
值得一提的是，在這方面，GF 加工方案提出了打印花紋塊的增材制造解決方案，此方案由花紋塊專用掃描策略和差異化層厚等兩個(gè)具體改善措施組成，除了可以滿足生產(chǎn)商對(duì)模具尺寸精度與表面光潔度的高要求，同時(shí)還能將單個(gè)花紋塊的加工時(shí)間明顯縮短，為花紋塊制造的創(chuàng)新工藝提供可實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)化之路。
l 砂型模具
3d打印砂型模具方面，典型的產(chǎn)業(yè)化案例是寶馬汽車(chē)。為了滿足輕量化以及熱管理性能的需求，寶馬采用了3d打印技術(shù)來(lái)制造S58發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的鑄造砂芯。S58發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪壓氣機(jī)和冷卻管路都經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，升級(jí)的壓縮機(jī)和由低溫回路提供的間接中冷器，進(jìn)一步增強(qiáng)了S58發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。該發(fā)動(dòng)機(jī)還集成了三個(gè)散熱器，以及獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻器、獨(dú)立的變速器油冷卻器。
寶馬通過(guò)創(chuàng)新的3d打印模具技術(shù)在3-5天內(nèi)實(shí)現(xiàn)從模型到產(chǎn)品，也可以通過(guò)創(chuàng)新的工藝、夾具、刀具以及整線自動(dòng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新能源車(chē)關(guān)鍵零部件的柔性、高效生產(chǎn)。
在這方面，國(guó)際上voxeljet-維捷通過(guò)自動(dòng)化3d打印復(fù)雜的砂模和砂芯（稱為VJET X），為汽車(chē)關(guān)鍵零件生產(chǎn)領(lǐng)域提供集成的自動(dòng)化增材制造解決方案。
競(jìng)合
l 成就與競(jìng)爭(zhēng)
不過(guò)雖然3d打印成就更為復(fù)雜精密的模具，但是由于3d打印可以直接制造塑料與金屬制品，3d打印對(duì)模具的替代作用也呈上升趨勢(shì)。
在這方面，我們需要了解，3d打印對(duì)注塑模具的替代。3d打印與注塑競(jìng)爭(zhēng)的可能性有多大？無(wú)疑，注塑工藝的優(yōu)勢(shì)在于大批量，而3d打印的優(yōu)勢(shì)在于小批量或者是用于非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)。目前，要替代掉注塑工藝，3d打印的發(fā)展空間要么是小批量簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，要么是大批量非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)。而3d打印技術(shù)要想在小批量簡(jiǎn)單產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝上取得一席之地，就需要在打印價(jià)格方面更便宜。3d打印技術(shù)要想在大批量復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝上獲得比注塑工藝更大的優(yōu)勢(shì)就需要打印速度更快。
另一方面，我們還需要了解，3d打印對(duì)MIM金屬注射成型、鑄造、壓鑄及鍛造等工藝的替代，由于3d打印技術(shù)的發(fā)展十分迅速，今天3d打印技術(shù)上的某些劣勢(shì)迅速被明天誕生的新優(yōu)勢(shì)所逾越，制造行業(yè)需要保持開(kāi)放的態(tài)度對(duì)待3d打印技術(shù)的發(fā)展，模具制造商需要同時(shí)關(guān)注3d打印成就復(fù)雜模具和3d打印逾越模具這兩個(gè)維度的發(fā)展以保持競(jìng)爭(zhēng)力。
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