3D打印技术在注塑模具中的应用与研究

3D打印技术在注塑模具中的应用与研究
摘要:本文简述了3D打印技术的原理及应用，以及我国塑料模具技术的发展
现状，并对3D打印技术在注射塑模具设计中的应用与存在问题进行分析与探讨，分析了3D打印技术在注塑模具制造中的优势和发展。

关键词:3D打印技术；3D随形冷却水路；注射模具；模具制造；设计应用
一、前言
3D打印技术被称之为增材制造技术，出现在20世纪90年代中期，是集数控
技术、激光技术、机械技术以及材料技术等为本体的新型成型技术。

3D打印是快
速成型技术中的关键，也是我国经济发展的重要趋势。

当前，在我国现代科技不
断发展的背景下，3D打印技术水平发展迅速，可与现代注射模具制造技术相互融合，解决注射模具制造技术中存在的难题，从而进一步提升模具性能，缩短生产
周期。

因此，分析我国塑料注射模具制造技术发展现状，明确3D打印技术在塑
料注射模具设计与制造中的具体优势，并探讨3D打印技术应用于注射模具设计
与制造可能出现的各种问题。

二、3D打印技术的原理
3D打印技术能够基于传统平面印刷技术，以计算三维设计模型为蓝本，通过
软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末一层层
在工作平台上进行堆叠，通过新型打印材料打印工艺和软件控制，实现二维实物
3D打印，3D打印技术包括二维软件建模，如通过CAD软件快速建模可以提高对
软件处理的效率，同时增强3D建模的质量。

后分层可以将二维数据转换为三维
数据，沿着平面被切割成不同切片，且每一个切片都记录着3D打印信息。

分割
切片越多，产品尺寸精度越高，甚至更接近于原始数据。

但是，分层与打印机设
备质量和打印材料具有密切关联。

打印中通过读取3D图片信息，能够将液体、
胶凝状以及粉末状材料组合，根据不同形状的分层喷涂材料，最终形成三维产品，如图1所示。

图1：3D打印
三、我国注塑模具的发展与现状
因模具材料及热处理工艺、模具制造工艺的限制，我国在交货期、模具质量
和寿命方而与国外相比还有一定的差距。

目前，汽车保险杠、洗衣机桶等大型模
具我国已能自主设计制造。

据报道，我国最大的注射模具单套质量己超过50吨。

此外，我国已能生产塑件精度很高的精密模具，最精密的注射模具精度可达2μｍ。

总体来说，低端模具占有很大比例，一些特别复杂的精密、先进的高端模具
仍需进口。

随着社会的发展，人们对塑料产品的要求越来越高，因此塑料模具势
必朝着精度更高、寿命更长、效率更高的方向发展。

随着3D打印技术的出现和
发展，可以将3D打印技术应用于塑料模具设计与制造领域，缩短新型模具的开
发周期，突破注射模具利用传统加工方法无法解决的一些技术壁垒。

3D打印技术
的出现与普及可以为模具设计、制造提供全新的思考方向。

在模具行业中，金属
3D打印可以制作特殊结构的模具零件，如3D打印随形水路，有效解决了传统制
加工难以实现的难点，3D打印随形水路系统的应用更加有效的提高模具冷却效率，提高制件质量，缩短成型周期，提高生产效率。

四、3D打印技术在注射模具中的应用
（1）新产品的开发。

产品设计随着时代的发展不断更新，随着3D打印技术
的发展与应用，设计工程师能更专注于产品外观的创新和功能的实现。

在产品设
计过程中，3D打印技术应用是整个设计的关键，设计工程师能够在设计阶段更加
完美的变为实物，为设计工程师提供交流讨论的保障，比较它们之前的结构外形
和功能的差异，也更能反映出产品设计存在的问题，从而进行设计修改，重复设
计创新过程，直径产品完善满足设计要求。

（2）新模具的开发。

目前我国模具企业使用3D打印技术最多，常用于手板
样品的打印，对产品结构外观进行验证后格后才开模具制造。

以往对于技术复杂
的新型超多腔模具，开发时往往需要先制造一副单腔模，在单腔模调试没有问题
的情况下再制造多腔模。

应用传统模具制造方法，需将除标准件以外的零件一一
加工好后进行装配、试模。

结构复杂的模具零件加工的时间较长，延长了模具的
开发周期。

此时，可以结合3D打印技术的优势，将结构复杂、传统加上方法不
易加工的零件用3D打印技术加工，缩短模具开发周期，提高设计的整体灵活性，节约生产成本。

3D打印流程，如图2所示。

图2：3D打印流程
（3）新型冷却系统的设计开发。

一个完整的注射成型周期包括塑化、合模、注射、保压、冷却和开模取件6个环节，其中冷却环节时间占整个成型周期的
2/3以上。

所以，要提高生产效率，缩短成型周期的最好办法是缩短冷却时间，
提高冷却效率。

而金属3D打印在模具制造中可以得到很好的解决方案，针对模
具局部镶件的打印，3D打印随形运水系统可以不受零件内部结构形状约束，能够
灵活的根据模具镶件结构设计随形冷却系统，将模具冷却系统越贴近产品的表面，其与塑件的形状越一致，冷却效率越高。

但是，限于传统加工技术工艺以及避免
和推杆孔干涉，很难做到冷却水路和产品形状一致，致使冷却效率低。

因为冷却
水路距离产品表而距离不一致，产品存在冷却盲区，导致产品冷却不均匀，引发
翘曲变形、内应力大等质量问题。

不管是从提高产品的生产效率还是从提高产品
质量上来讲，设计制造新型的随形水路势在必行。

研究表明，在某型号净水器滤
瓶盖注射模研究中，对传统冷却系统和随形冷却系统的冷却效果行分析对比，结
果与传统冷却水路相比，随形水路冷却方案的冷却效率提高了28.2%，周期内模
具温度分布均匀性提高了40.6%，冷却结束时模具温度分布均匀性提高了87.7%，产品表而温度均匀性提高了87.1%。

可见，随形水路能有效改善冷却效果，显著
提升冷却效率和生产效率，具有很大的冷却优势。

在关于某大型盒状产品后盖模
具研究中，对传统水路和随形水路的冷却结果进行对比，随形水路的冷却效率比
传统水路提高了35.64%，产品表面温度分布均匀性提高了24.95%。

同时，对传
统水路和随形水路的尺寸稳定性和翘曲变形结果进行对比，随形水路比传统水路
的X和Y方向的最大位移分别改善了39.77%和51.71%}翘曲变形减小了35.09%。

这些研究说明，随着3D打印技术的不断提高，在模具行业中应用更加灵活，使
设计者不再受传统水路加工手段的限制，把冷却水路更加均匀的排布在模具成型
镶件中，随形水路能够显著提高冷却效率和冷却均匀性，使模具深腔区域快速冷却，缩短成型周期，提高塑件的生产效率和制件的质量，使得产品单件成本降低。

五、3D打印技术应用在注射模具领域应用中存在的问题
（1）费用高，难以普及。

目前，金属材料3D打印都是以克为单位计价的，
市场上一般每克5元起价。

价格偏高导致3D打印技术难以应用，一般的注射模具，只可应用于高端、附加值高的注射模具或者质量要求特别高的塑件。

此外，
其他冷却形式难以保证其质量时，使用3D打印的随形冷却系统。

（2）3D打印注射模具随形水路渗水。

3D打印费用高昂，目前业界只用3D
打印技术制造模具零件的关键部分，底座部分仍用传统的加工方法加工，然后将
二者连接起来形成一个模芯，二者连接处存在渗水问题。

目前，3D打印技术仍处
于研究发展阶段，可选择的模具钢材料有限，材料本身的性能，3D打印参数的设
定都会影响模具零件的质量，导致渗水情况的出现。

（3）难以保证模具零件的机械强度。

因3D打印可选择的模具材料有限及其
本身的加工方法，业界一直认为3D打印的模具零件机械强度不及传统加工方法
加上的模具零件，所以不宜用于长寿命的模具。

但是，部分企业认为3D打印的
模具零件和传统方法加工的模具零件机械强度不相上下，硬度能达到HRC 48~52。

（4）模具的尺寸有限制。

目前，最大的3D打印机是大连理工大学教授尧山
和他的团队在2013年设计和开发成功的，工作台尺寸为1800×1800mm，但是不
能满足制造大型模具产业要求。

与传统的模具制造技术相比，3D打印还有很多局限，尚无法完全取代传统模具制造技术的方法，需进一步开展研究。

六、结语
总之，随着科学技术水平的大幅提高，塑料注射模具行业迎来了新的生机。

将3D打印技术应用于塑料注射模具领域，可以缩短新产品的开发周期，大幅度
提高塑料产品的生产效率和产品质量。

尽管3D打印技术在塑料模具领域中的应
用还处于起步阶段，但随着技术的发展和新材料的开发，3D打印技术在注射模具
领域中的应用会越来越广泛，存在的问题也会随着科技的发展得到有效解决。

但
3D打印技术给模具制造带来的改变是巨大的，将3D打印技术应用到注塑模具设
计和制造中会是一种趋势，尤其是对我国模具制造企业是一个很好的发展方向，
因此对3D打印技术的推广和应用会更具优势。

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