增材制造在模具行業(yè)應(yīng)用
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摘要：增材制造技術(shù)由于其高度的設(shè)計(jì)和制造自由度，廣泛應(yīng)用于模具制造行業(yè)。根據(jù)增材制造技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，分析了增材制造技術(shù)在直接模具制造、間接模具制造和模具修復(fù)中的應(yīng)用，并展望了增材制造技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：增材制造技術(shù)；模具制造；模具修復(fù)
0引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，為滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)和精神需求，各種各樣的產(chǎn)品層出不窮，這極大地促進(jìn)了模具制造工業(yè)的發(fā)展，且產(chǎn)品也出現(xiàn)了快速研發(fā)設(shè)計(jì)迭代的時(shí)代特征，以滿足現(xiàn)在人們對(duì)產(chǎn)品定制化的需求。而從節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、快速響應(yīng)訂單需求出發(fā)，模具設(shè)計(jì)制造行業(yè)正在尋求有別于傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)制造的技術(shù)，本文旨在通過(guò)介紹增材制造技術(shù)、增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、增材制造技術(shù)與模具設(shè)計(jì)制造的應(yīng)用結(jié)合，進(jìn)而提出增材制造在模具設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用策略，為實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)制造的可持續(xù)發(fā)展提供參考。
1增材制造技術(shù)概述
常見(jiàn)的制造技術(shù)包括減材制造、等材制造和增材制造，減材制造和等材制造是傳統(tǒng)的制造技術(shù)。減材制造是通過(guò)采用切削工具去除材料，得到產(chǎn)品；等材制造是使用模具控制液體或者固體材料制成所需結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品；增材制造技術(shù)相比于傳統(tǒng)的制造技術(shù)，區(qū)別在于其制造工藝是基于“離散／堆疊成型”的思想，從零件的CAD實(shí)體模型入手，通過(guò)軟件分層和離散化形成系統(tǒng)，將材料逐層堆疊，最后堆疊成實(shí)體，它廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、醫(yī)療設(shè)備、模具制造等領(lǐng)域［1］。增材制造是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、數(shù)字控制、激光精密伺服驅(qū)動(dòng)、新材料等技術(shù)為一體的綜合制造技術(shù)。常見(jiàn)的增材制造技術(shù)及其特點(diǎn)如表1所示［2］，根據(jù)使用材料的不同，采用不同的增材堆積方式，最終形成產(chǎn)品。
2增材制造在生產(chǎn)制造中的優(yōu)勢(shì)
增材制造技術(shù)采用了增材整體制造的方案，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)即制造的想法，相比傳統(tǒng)的制造技術(shù)，增材制造技術(shù)在產(chǎn)品功能、制造成本、生產(chǎn)效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下方面。
2．1降低生產(chǎn)成本及縮短生產(chǎn)周期
對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，采用增材制造技術(shù)沒(méi)有庫(kù)存積累，降低了庫(kù)存風(fēng)險(xiǎn)，可以減少生產(chǎn)成本。增材制造技術(shù)的準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)方法使得產(chǎn)品個(gè)性化，根據(jù)消費(fèi)者的需求生產(chǎn)，既滿足了消費(fèi)者的需求，又減小了企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，減少了企業(yè)庫(kù)存，實(shí)現(xiàn)了按需配送的新型交易模式，做到了零庫(kù)存、低成本、快速交貨。
2．2產(chǎn)品多樣化不需增加成本
在傳統(tǒng)的制造技術(shù)中，一臺(tái)機(jī)械設(shè)備只能生產(chǎn)有限種類(lèi)的產(chǎn)品，并需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)，使得設(shè)備具有高度的專(zhuān)用性。然而采用增材制造技術(shù)，只要產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)和原材料是可用的，增材制造設(shè)備不僅可以打印各種尺寸、形狀和類(lèi)型的產(chǎn)品，而且也不需要技術(shù)人員進(jìn)行額外的維護(hù)工作，從而降低了產(chǎn)品的制造成本。
2．3零技術(shù)門(mén)檻
傳統(tǒng)的制造模式專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)，例如，汽車(chē)工程師需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)才能進(jìn)入生產(chǎn)線，明顯的勞動(dòng)分工導(dǎo)致了教育和培訓(xùn)的高成本。增材制造技術(shù)突破了專(zhuān)業(yè)化的局限，員工只需要掌握增材制造的機(jī)械設(shè)備即可生產(chǎn)不同的產(chǎn)品。因此，增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新型的零技術(shù)門(mén)檻制造模式。
3增材制造技術(shù)在模具制造中的運(yùn)用
3．1增材制造技術(shù)用于直接模具制造
直接模具制造是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模，利用增材制造技術(shù)直接制造模具本身，然后進(jìn)行一些必要的后處理以獲得傳統(tǒng)模具所要求的機(jī)械性能、尺寸精度和表面粗糙度。在輪胎模具的加工中，加工工序高度集中，為了實(shí)現(xiàn)輪胎更好的抓地力和穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)很多表面不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這對(duì)加工要求非常高。增材制造技術(shù)解決了這一問(wèn)題，不僅釋放了輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)的便利性，而且可以快速地迭代產(chǎn)品，汽車(chē)輪胎制造商米其林已經(jīng)開(kāi)始使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)高端輪胎模具，推出了具有比較復(fù)雜的花紋和更好的抓地力和穩(wěn)定性的輪胎產(chǎn)品。由于增材制造的高度設(shè)計(jì)和制造自由性，還被廣泛應(yīng)用于制造模具的共形冷卻通道，以增加和均勻化模具鑲塊的冷卻速度。傳統(tǒng)的內(nèi)流冷卻通道是在模具上鉆孔，由于加工的限制，很難貼近模具表面，尤其是模具表面比較復(fù)雜的時(shí)候。而增材制造技術(shù)解決了這一難題，可以制造出任何復(fù)雜的內(nèi)流道，如圖1所示，深色部分是貼合模具表面的冷卻通道。圖2為混合模組件，該部分底部是機(jī)加工，頂部是增材制造技術(shù)制造的。Salandre等［3］通過(guò)EOSM290打印機(jī)使用不同顆粒分布和霧化的新型工具鋼（L40）粉末制造注塑模具，驗(yàn)證了其硬度和塑性等指標(biāo)高于注塑應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。
3．2增材制造技術(shù)用于間接模具制造
用增材制造技術(shù)制造原型件，再用不同的工藝方法制造出模具，如澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂等軟材料可構(gòu)成軟模具。用增材制造技術(shù)制作的母模或軟模具與熔模鑄造、陶瓷型精密鑄造、冷噴等傳統(tǒng)工藝結(jié)合，即可制成硬模具，能夠批量生產(chǎn)塑料件或金屬件。李翔等［4］通過(guò)增材制造技術(shù)（SLA）制造樹(shù)脂模具，在模具中填充生物材料，再去除樹(shù)脂模具，制造出生物相容性良好的多孔生物陶瓷支架。Hawaldar等［5］比較了使用增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)工藝制造的砂鑄模具在節(jié)省重量、提高表面光潔度等方面的性能，結(jié)果表明，增材制造技術(shù)在砂型鑄造模具方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，節(jié)省了大量的砂子使用，減小了設(shè)計(jì)余量和修復(fù)工作，而且由于使用增材制造過(guò)程中良好的粘結(jié)強(qiáng)度，增材制造的模具性能也高于傳統(tǒng)模具。華中科技大學(xué)董選普等［6］采用聚乳酸材料通過(guò)FDM方式制造出替代V法造型木模的模型，分析了不同工藝參數(shù)增材制造的模型硬度、抗壓性能、表面粗糙度等參數(shù)，結(jié)果驗(yàn)證了通過(guò)增材制造技術(shù)制造V法模具的可行性。Biondania等［7］比較了選擇性激光熔化（SLM）、熱噴霧（TS）和電成像（EF）在光學(xué)質(zhì)量模具生成方面的優(yōu)劣勢(shì)，進(jìn)而提出一種SLM與TS、EF工藝相結(jié)合的模具制造方式，該方法結(jié)合了三種工藝的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)這種方式制造的原型模具經(jīng)注塑試驗(yàn)驗(yàn)證，模具表面硬度或粗糙度沒(méi)有顯著變化，滿足模具使用要求。
3．3增材制造技術(shù)用于模具修復(fù)
針對(duì)一些比較貴重的模具，因長(zhǎng)期在高溫高壓的工況條件下，模具表面容易出現(xiàn)表面點(diǎn)蝕、細(xì)小裂紋等缺陷，通過(guò)引入模具修復(fù)技術(shù)在保證模具性能的前提下可以實(shí)現(xiàn)模具再利用，它有效地節(jié)約了成本，減少了模具浪費(fèi)。傳統(tǒng)的模具修復(fù)技術(shù)是在模具局部失效后，通過(guò)機(jī)加工方式或者其他方法去除失效部分，再通過(guò)等離子堆焊、高溫高壓熱噴涂等技術(shù)修復(fù)模具。但通過(guò)這些技術(shù)修復(fù)的模具質(zhì)量難以保證，而且容易引起環(huán)境污染。而引入增材制造技術(shù)進(jìn)行模具修復(fù)，對(duì)環(huán)境友好，模具的綜合力學(xué)性能良好，擁有很高的應(yīng)用價(jià)值［8，9］?；袅④姡?0］選擇鐵基復(fù)合粉末Fe60作為修復(fù)粉末，利用激光增材制造技術(shù)在已報(bào)廢的沖裁模具上進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)修復(fù)后的模具試件進(jìn)行了力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明修復(fù)后模具的力學(xué)性能滿足沖裁模的工況要求。
4結(jié)論
增材制造無(wú)論在技術(shù)上還是在工業(yè)上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有可能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。尤其是在模具制造領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，基于增材制造技術(shù)的高度設(shè)計(jì)和制造自由性，可以快速迭代產(chǎn)品，滿足個(gè)性化定制化需求。由于增材制造技術(shù)大批量生產(chǎn)時(shí)耗時(shí)較多，在短時(shí)間內(nèi)還不能替代傳統(tǒng)的模具制造方式，但通過(guò)增材技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鑄模制造，再通過(guò)鑄模制造產(chǎn)品，這是目前最具實(shí)用性的應(yīng)用策略。在未來(lái)，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，必將對(duì)模具設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)生變革性影響。
作者:羅志良 胡永珊 柳志林 張斌 肖瑩 黎力超 單位:江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院