3D打印技術(shù)是一種近年來(lái)新興的制造技術(shù)，有別于傳統(tǒng)加工的車(chē)銑刨磨去除材料。3D打印采用“疊加”的形式制成零件，因此也被叫做增材制造技術(shù)。3D打印這門(mén)制造技術(shù)只有40多年的發(fā)展歷史，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用不過(guò)20年。其進(jìn)入中國(guó)被制造業(yè)所熟知也只有10到15年的時(shí)間。3D打印作為新興的技術(shù)類(lèi)型，如何匹配模具行業(yè)的需求？又是如何被模具行業(yè)接受？進(jìn)而推動(dòng)模具制造變革升級(jí)？本文將從3D打印在模具行業(yè)應(yīng)用和發(fā)展的角度，回答這些問(wèn)題。

3D打印作為一個(gè)大的概念其中包含了很多技術(shù)類(lèi)型，本文中提到的3D打印專(zhuān)指選區(qū)激光熔融技術(shù)SLM（Selective LaserMelting）。另外，近年來(lái)有些科學(xué)家覺(jué)得SLM對(duì)于融合原理的描述不夠準(zhǔn)確，給這種技術(shù)起了另一個(gè)名字叫做激光粉床熔融技術(shù)LPBF（Laser Powder Bed Fusion）。這兩種叫法只是名字不同，技術(shù)上并無(wú)區(qū)別。相比于其他類(lèi)型的 3D打印技術(shù)，SLM有著精度高，收縮率小的優(yōu)勢(shì)，更容易和模具行業(yè)高精度的需求匹配，也是在模具行業(yè)應(yīng)用*為廣泛的3D打印技術(shù)。

一、為什么模具制造要使用3D打印技術(shù)？

模具行業(yè)對(duì)于模具的精度要求高，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，但同時(shí)又有很大的成本壓力。根據(jù)這些特點(diǎn)，3D打印在一些模具的制造領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1. 降低制造成本

(1)隨形水路是模具3D打印制造*普遍的應(yīng)用

3D打印由于不使用刀具加工，就突破了點(diǎn)線(xiàn)面圓的加工形式，可以制造“任意”形狀的零件。從這個(gè)角度看，3D打印*重要的貢獻(xiàn)是解放了制造前端的設(shè)計(jì)。在模具的冷卻水路設(shè)計(jì)中，3D打印可以設(shè)計(jì)出貼合零件外形的彎曲水路，增加了水路的長(zhǎng)度，從而達(dá)到降低了冷卻時(shí)間的目的。另外，貼合零件外形的彎曲水路，因?yàn)楹土慵�表面是等距離的，使得產(chǎn)品冷卻更均勻，這種等距水路的概念就是隨形水路這個(gè)詞的由來(lái)，隨形就是隨的產(chǎn)品的外形，意為隨著產(chǎn)品形狀設(shè)計(jì)和制造水路。隨形水路因?yàn)槔鋮s更均勻，可以使注塑產(chǎn)品的表面質(zhì)量更好。

3D打印可以制造“任意”形狀的零件，只不過(guò)是一句商業(yè)宣傳的口號(hào)。由于這項(xiàng)技術(shù)仍然處在發(fā)展過(guò)程中，在3D打印的設(shè)計(jì)規(guī)則中仍然有諸多限制，比如，懸垂面的處理，大直徑的孔，細(xì)小的平孔，仍然是3D打印的制造難點(diǎn)。對(duì)應(yīng)到模具水路的設(shè)計(jì)中，水路設(shè)計(jì)中特別粗（>6mm），或者特別細(xì)（<0.8mm）都有很大的風(fēng)險(xiǎn)。水路的形狀也不能完全隨心所欲。

(2) 打印復(fù)雜形狀降低機(jī)加工成本

有些模具的形狀比較復(fù)雜，使用機(jī)加工制造需要多次裝夾和換刀，一些細(xì)小的部位甚至無(wú)法加工。這種類(lèi)型的模具一部分可以考慮使用3D打印來(lái)處理。不僅可以大幅減少模具的機(jī)加工工序，還可以直接打印出模具的水路。

3D打印完成后的表面粗糙度大約是Ra4μm，打印完成后的模具不可避免的還需要精加工處理。所以，并不是所有的復(fù)雜形狀的模具都適合3D打印，還要看模具的具體要求。

(3) 替代放電加工

有些模具使用放電加工制造，比如電子產(chǎn)品內(nèi)側(cè)或者內(nèi)部的帶有拉筋塑料件。3D 打印對(duì)比線(xiàn)割加工是沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì)的，但是對(duì)于不能使用線(xiàn)割的盲槽模具，傳統(tǒng)加工只能使用電火花加工或者銑床開(kāi)粗結(jié)合電火花精加工。不僅需要加工電極，而且加工效率很低。這種零件是比較適合使用3D打印來(lái)制造的。

2.提高產(chǎn)品表面質(zhì)量

相比于機(jī)加工的直水路，隨形冷卻水路可以讓注塑件得到更均勻的冷卻，從而從根本上提升產(chǎn)品的表面質(zhì)量。可以很好地解決燙傷，填充不完全，縮印，夾水線(xiàn)等表面質(zhì)量問(wèn)題。

3.提高良品率

隨形水路的應(yīng)用還可以大大改善產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題。比如，薄件的翹曲，小件的氣泡和凹陷，注塑件的燒焦、熔接不良等問(wèn)題。提升良品率，節(jié)約成本。

二、什么類(lèi)型的模具適合使用3D打印技術(shù)？

并非所有的模具都適合使用3D打印制造，下面列舉一些 3D打印在模具行業(yè)的成熟應(yīng)用，逐一介紹。

1. 注塑模具

目前3D打印95% 的應(yīng)用都在注塑模具中。而在注塑模具整個(gè)領(lǐng)域， 3D打印的滲透率大約在3%。對(duì)比與3D打印在整個(gè)行業(yè)5%的滲透率，顯得略低。相比于3D 打印的突出優(yōu)勢(shì)， 3D打印的局限性也同樣突出。這也是滲透率低的主要原因。

2.表面質(zhì)量要求高的外觀(guān)件

在電子產(chǎn)品的品類(lèi)中，客戶(hù)因?yàn)橥庥^(guān)而產(chǎn)生購(gòu)買(mǎi)欲的比例已經(jīng)超過(guò)了50%。外觀(guān)設(shè)計(jì)的科技感和產(chǎn)品質(zhì)感與功能設(shè)計(jì)同樣重要。讓塑料件擺脫廉價(jià)感也是現(xiàn)在電子產(chǎn)品的主要設(shè)計(jì)方向。因?yàn)檫@個(gè)大的設(shè)計(jì)背景，我們可以看到模具企業(yè)的客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品外觀(guān)的質(zhì)量要求逐步提高，并有越演越烈的趨勢(shì)。我們從市場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)，越來(lái)越多的3C產(chǎn)品開(kāi)始大量使用3D打印技術(shù)制造的模具來(lái)生產(chǎn)外觀(guān)件。

3.特定的產(chǎn)品類(lèi)型

(1) 小零件

小零件的注塑中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)槔鋮s不均勻出現(xiàn)燒焦的情況。原因一是因?yàn)闄C(jī)加工不能做出非常細(xì)的水路；二是小零件形狀稍微復(fù)雜一點(diǎn)，直的水路就不能有效冷卻。3D打印技術(shù)，在這個(gè)領(lǐng)域有天然的優(yōu)勢(shì)，可以很好地解決小零件的注塑質(zhì)量問(wèn)題。

(2)大平面外觀(guān)件

過(guò)大的平面和平滑的曲面非常容易暴露注塑的瑕疵，特別是由于冷卻不均勻，材料收縮引起的缺陷。3D打印可以設(shè)計(jì)多股的放射狀等長(zhǎng)水路或者等長(zhǎng)平行水路，確保每個(gè)點(diǎn)位都均勻冷卻，注塑出*無(wú)瑕的外觀(guān)件。

(3) 深骨位

深骨位零件由于熱量的積聚，會(huì)導(dǎo)致?tīng)C傷、縮孔等產(chǎn)品不良問(wèn)題，且需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)冷卻。而隨形水路可以設(shè)計(jì)環(huán)繞式的盤(pán)旋水路，可以很好地解決深骨位的冷卻問(wèn)題。

(4) 盲槽

帶有盲槽的注塑件模具一般需要使用電火花加工，銑電極和電火花加工本身都需要大量的時(shí)間。同時(shí)電極還是消耗品，特別是深槽損耗很大。使用3D打印來(lái)制造這類(lèi)模具不僅不需要銑電極，打印出來(lái)的模具還自帶水路。如果注塑件使用在產(chǎn)品內(nèi)部，要求不高，打印出來(lái)的模具甚至不需要二次加工，即可直接使用。要求高的模具，3D打印也可以達(dá)到開(kāi)粗的目的，也可以大幅降低放電的加工時(shí)間，大幅縮減電極的損耗。

(5)透氣鋼

傳統(tǒng)方式加工的透氣鋼，不管是通過(guò)粉末冶金的方式，還是擴(kuò)散焊的方式，只能加工出透氣鋼的嵌塊。3D打印可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或工藝參數(shù)調(diào)整直接打印出透氣鋼。這種透氣鋼的優(yōu)勢(shì)是可以和模具的其他部分無(wú)縫銜接。注塑件的表面質(zhì)量不容易出現(xiàn)瑕疵。

(6)輪胎模、鞋模

輪胎模具和鞋模雖然不需要水路，但是由于內(nèi)部的花紋一般都很繁復(fù)，機(jī)加工難度高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。使用3D打印來(lái)制造這兩類(lèi)模具也慢慢成了趨勢(shì)。

另外，機(jī)加工輪胎模、鞋模需要考慮刀路的問(wèn)題，很大程度限制了這類(lèi)模具花紋的設(shè)計(jì)。3D打印則不需要考慮這一點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出更具功能性的花紋。

(7)帶有研發(fā)性質(zhì)的手（首）板

研發(fā)應(yīng)用一直是3D打印的主要應(yīng)用，在研發(fā)領(lǐng)域3D打印模具可以更方便地替代木模、蠟?zāi)５仁止つ＞�，減少人為誤差，且更利于數(shù)字化。在模具的研發(fā)中，3D打印由于只有一道工序，可以更快速地驗(yàn)證設(shè)計(jì)，縮短研發(fā)周期。

三、3D打印在模具行業(yè)的中期發(fā)展前瞻

在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)3~5年，3D打印在模具行業(yè)將會(huì)迎來(lái)如下的變化和發(fā)展。

1. 設(shè)備成本進(jìn)一步下降

由于目前整個(gè)3D打印技術(shù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)跨越，國(guó)產(chǎn)的3D打印設(shè)備已經(jīng)達(dá)到并在某些領(lǐng)域部分超過(guò)進(jìn)口設(shè)備。除了激光器和振鏡系統(tǒng)，其他部分基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。由于目前3D打印設(shè)備廠(chǎng)商較多，成本壓力大，目前激光器也有逐步被國(guó)產(chǎn)品牌替代的趨勢(shì)。加之，目前3D打印行業(yè)較受資本的青睞，在設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中，資本起了推波助瀾的作用。設(shè)備成本有進(jìn)一步降低的趨勢(shì)。

2. 工藝進(jìn)步

從市場(chǎng)從業(yè)者角度看，在中期3D打印技術(shù)仍然不會(huì)實(shí)現(xiàn)飛躍和跨越。打印效率、尺寸精度和粗糙度仍然不會(huì)有質(zhì)的提升。

工藝發(fā)展更多的是匹配新材料的工藝開(kāi)發(fā)。

3. 材料發(fā)展

由于目前3D打印模具材料的諸多問(wèn)題，新材料的開(kāi)發(fā)會(huì)迎來(lái)較快的發(fā)展，市面上會(huì)出現(xiàn)新的耐腐蝕并且耐磨的新材料。研發(fā)方向?qū)��?huì)從現(xiàn)有的傳統(tǒng)牌號(hào)中，選擇適合3D打印的材料進(jìn)行研究和工藝優(yōu)化。

壓鑄行業(yè)將迎來(lái)首款適合的3D打印材料。目前，市面上有人嘗試使用H13作為壓鑄行業(yè)3D打印材料，從目前的資料看，材料生產(chǎn)商仍然沒(méi)有很好地解決H13 打印的裂紋問(wèn)題。壓鑄模次難以達(dá)到3萬(wàn)次的*低標(biāo)準(zhǔn)。

4. 打印服務(wù)行業(yè)的發(fā)展

打印服務(wù)的價(jià)格會(huì)進(jìn)一步降低。隨著粉末價(jià)格逐年下降和市場(chǎng)容量的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有牌號(hào)的3D打印服務(wù)價(jià)格，會(huì)進(jìn)一步降低。

增材加減材的交鑰匙服務(wù)模式。3D打印服務(wù)商會(huì)陸續(xù)建立起精加工中心，為模具客戶(hù)提供一站式加工服務(wù)。

3D打印服務(wù)常規(guī)化。3D打印服務(wù)會(huì)逐步演變成和傳統(tǒng)加工類(lèi)似的加工服務(wù)模式。

5. 自建3D打印中心的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

隨著3D打印設(shè)備價(jià)格的降低和技術(shù)普及度的提高，模具企業(yè)會(huì)陸續(xù)建立起自己研發(fā)性質(zhì)的3D打印中心和生產(chǎn)性質(zhì)的3D打印生產(chǎn)部門(mén)。由于模具企業(yè)更熟悉模具制造和自身的產(chǎn)品，掌握3D打印技術(shù)后，會(huì)設(shè)計(jì)出功能性更好的模具產(chǎn)品，這點(diǎn)是打印服務(wù)商不具備的能力。自有的生產(chǎn)部門(mén)更有兼具保密和降成本的兩大優(yōu)勢(shì)。

設(shè)備—材料—工藝被稱(chēng)為3D打印鐵三角，三者相互支撐和配合就可以輸出合格的 3D打印零件。但在模具企業(yè)運(yùn)營(yíng)3D打印中心時(shí)，這部分恰恰是*容易的掌握的，因?yàn)槭袌?chǎng)上均有相對(duì)成熟的方案可以直接輸出。企業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)還是相關(guān)人才的適配、設(shè)計(jì)觀(guān)念轉(zhuǎn)變和制造流程嵌套。