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3D打印在容器模具制造领域的应用

2016/10/26    来源:互联网    作者:秦培凡  苏贺  李慧芸      
关键字:3D打印技术  模具制造  应用  
文章详细论述了3D打印技术的诞生、应用,以及工作原理和发展前景。简单介绍了什么是传统模具制造,并分析了3D打印技术在当代容器成型工艺上的现状和应用,以及其优势和不足,综合讨论了未来它在传统容器模具制造上的前景。

1 传统模具制造

    传统容器模具制造过程极其复杂,在推出新产品时,往往成本较高而且工艺复杂繁琐,玻璃瓶,瓷瓶等新瓶型的开发很难,而有时投入生产的效果与预先设计的差别很大,此时对制成的模具进行修改较为困难并造成浪费。模具,是工业生产中的重要工艺装备,它主要通过改变所成型材料物理状态,如固态、液态等,即在外力用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具,来实现工业制成品的外形加工。模具广泛应用在冲栽、成形冲压、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金件压制、压力铸造,以及工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的压塑或注塑的成形加工中。在现代化工业生产中,60%~90%的工业产品需要使用模具加工,模具设计水平的高低、加工设备的好坏、制造力量的强弱、模具质量的优劣,直接影响到许多新产品的开发和老产品的更新换代,模具工业已成为现代工业发展的基础。

2 3D打印技术

    3D (Three Dimensions)打印技术,是通过计算机,将CAD图形文件转换成规定格式的数据文件,再根据文件的数据控制专门的设备,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,该技术并不借助任何传统意义上的机械加工装置,可直接从微机数字图像数据中“打印”零件结构,大大缩短产品的研制周期,提高生产率。3D打印,是快速成型技术(快速原型制造)。诞生于20世纪80年代末期,是基于材料堆积法的一种新型特种制造工艺。快速原型制造f简称RPM),物体的三维模型可在一个三维方向上分离出一定数量片层,片层可以看做二维图案,3D打印装置在一个平面上进行沉淀材料,并沿平面垂直方向移动,最后可得到限位块模具型芯制品。它集多种现代技术于一身,可将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。

    3D打印技术与传统制造业的“减材制造技术”不同,3D打印遵守的是加法原则,可以直接将设计转化为模型,直接制造零件或产品,不再需要传统的刀具,夹具和机床。3D打印技术优势在于能实现设计制造一体化,降低约50%的制造费用,缩短加工周期约70%。现如今3D打印技术有SLA (Stereo lithography Appearance立体光固化成型技术)SLS (Selective Laser Sintering,选择性激光烧结),LOM (Laminated Ohject Manufacturing,分层实体制造法,又称层叠成型法),FDM (Fused Deposition Modeling,熔积成型法),LSF(激光立体成型技术这里就不一一介绍了。

    2.1 3D打印原理

    3D打印可分为三大步骤:(1)利用计算机相关软件建立产品三维数字模型:现如今大部分的3D建模软件例如Pro/E、AutoCAD等,都可以满足建模设计需求,建模过程中一定要严格按照产品的工程图,因为3D打印机是完全按照计算机中三维模型的数据进行打印制造的,而且打印的质量是由3D建模质量决定的。(23D模型分层:本过程是将三维数据向二维数据的转化,打印机中自动化软件系统根据产品参数和人为设定,将建立的3D模型沿着一个平面的垂直方向(z轴)进行分层,分割成很多个片层,每一个片层相当于一个薄图,记录着一个二维打印图案信息,分割的层数越多,产品尺寸精度就越高,就越接近原始设计数据。但是受到打印机设备以及材料因素限制,薄片厚度一般从几十lam到几百lxm之间。(3)打印:3D打印机通过读取文件中片层薄图中的信息,将液体状,胶状,片状或者粉状材料甚至生物活性细胞组织等利用多种方式方法黏合在一起,通过一层层不同二维图形材料的累积,最后形成产品结构的三维模型。由此可见,3D打印实际是根据分割的二维薄片的层数利用所喷涂的材料经逐层堆积后形成的三维产品。

    2.2 3D打印优势

    (1)简化生产制造过程,制造复杂物品不增加成本,省去培训机械师或者购置新设备成本的同时可实现产品多样化。非传统的切削加工大幅减少了材料浪费,节约成本。

    (2)无需组装,3D打印可一体化成型,例如3D打印可利用分层制造工艺同时打印一扇门以及上面的配套铰链。

    (3)传统制造工艺制造的产品形状有限,受限于加工技术和设备的能力,而3D可以突破这些局限,极大地满足设计所需。

    (4)传统的制造机器需要经过多年培训的熟练的工人进行操作,而3D打印只需从相关设计文件中获得指示,所需的操作技能较少,大大减少了人工成本。(5)开辟新的商业模式,企业只需根据客户的订单制造所需产品,按需生产,可减少企业的实物库存。3D打印技术的优势当然不仅仅于这些,在未来的发展过程中,它必将舍在制造业中展示出更大的优势。

3 3D打印在模具成型上的应用

    如果将3D打印技术应用在容器成型工艺中,就可以很快根据设计图快速做出预制模具,再根据模具制造预制瓶,如果预制瓶达到了预期性能外观效果,就可以制造模具投入生产,若不能,可以方便快速修改。采用3D打印技术快速成型预制模具简化了瓶型设计环节,尤其对化妆品等造型多变的瓶型包装来说意义重大,减少了时间成本,造型上的创新也促进了销售,另外模型的材料可以采用热望性高分子或者石蜡等能反复成型的材料,便于材料再利用,减少成本。

    现如今3D打印机的出场频率越来越频繁,可以看出来3D打印在模具行业的市场奠定了制模的发展优势。未来的模具业完全可以融入3D打印技术,并独自完成着国内3D打印机的普及,所以我们可以让3D打印技术使用在模具制造工程中,我们不需要像传统制造那样去开模。传统制造的开模等工序,费时费力成本高,也不用全部都3D打印,而可以利用3D打印1个原型,然后利用快速模具(如硅胶模、玻璃钢模)的方式复制出一批一模一样的产品来,单位成本将远远低于传统制造和纯3D打印的方式。未来我国铸造模具产业将可尽情用3D打印技术来促进行业的发展,国内铸造模具产业将引发新一轮科技和产业的变革。虽然模具领域许多人士都摩拳擦掌,跃跃欲试,准备把3D打印技术引进模具产业,以促进模具产业发展。但是,模具产业在引进3D打印技术促进行业发展的过程中并不是一帆风顺的,目前遇到的最大问题就是材料问题。因为目前,适用3D打印的材料尚有限,仅以塑料及个别金属、尼龙为主,3D打印技术的应用取决于是否有更合适的新材料应用到模具领域,3D打印材料能否突破单一材料的限制,实现不同材料东西的混合,制造更加高复杂的产品。也就是说,3D打印技术目前还不能以模具产业常用的材料生产模具,在极个别的领域还处于尝试阶段,无法达到规模化的生产,更不能满足时下模具市场的各种要求,因此材料问题得不到解决,一时之间,模具产业运用3D打印技术很难有大的突破。压铸铸造模具是工业制造的基础,3D打印技术在这里的突破将更加困难,至少在未来一段时间内,我们还看不到这种希望。只有不断努力,突破层层困难,才能促使其更好的发展。除了材料以外,3D打印技术在模具应方面还需在以下几点进行突破:

    (1)提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能;

    (2)开发更可靠的软件;

    (3)提高网络化服务的研究力度,实现远程控制。

    3D打印技术虽然在模具工业中的应用还有些瓶颈,但未来是广阔无边的,相信通过不懈的努力,一定会成为模具发展的方向。

责任编辑:马倩
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