3D打印技術是一種近年來新興的制造技術，有別于傳統(tǒng)加工的車銑刨磨去除材料。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。3D打印這門制造技術只有40多年的發(fā)展歷史，產(chǎn)業(yè)化應用不過20年。其進入中國被制造業(yè)所熟知也只有10到15年的時間。3D打印作為新興的技術類型，如何匹配模具行業(yè)的需求？又是如何被模具行業(yè)接受？進而推動模具制造變革升級？本文將從3D打印在模具行業(yè)應用和發(fā)展的角度，回答這些問題。

3D打印作為一個大的概念其中包含了很多技術類型，本文中提到的3D打印專指選區(qū)激光熔融技術SLM（Selective LaserMelting）。另外，近年來有些科學家覺得SLM對于融合原理的描述不夠準確，給這種技術起了另一個名字叫做激光粉床熔融技術LPBF（Laser Powder Bed Fusion）。這兩種叫法只是名字不同，技術上并無區(qū)別。相比于其他類型的 3D打印技術，SLM有著精度高，收縮率小的優(yōu)勢，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)應用*為廣泛的3D打印技術。

一、為什么模具制造要使用3D打印技術？

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

1. 降低制造成本

(1)隨形水路是模具3D打印制造*普遍的應用

3D打印由于不使用刀具加工，就突破了點線面圓的加工形式，可以制造“任意”形狀的零件。從這個角度看，3D打印*重要的貢獻是解放了制造前端的設計。在模具的冷卻水路設計中，3D打印可以設計出貼合零件外形的彎曲水路，增加了水路的長度，從而達到降低了冷卻時間的目的。另外，貼合零件外形的彎曲水路，因為和零件表面是等距離的，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詞的由來，隨形就是隨的產(chǎn)品的外形，意為隨著產(chǎn)品形狀設計和制造水路。隨形水路因為冷卻更均勻，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，只不過是一句商業(yè)宣傳的口號。由于這項技術仍然處在發(fā)展過程中，在3D打印的設計規(guī)則中仍然有諸多限制，比如，懸垂面的處理，大直徑的孔，細小的平孔，仍然是3D打印的制造難點。對應到模具水路的設計中，水路設計中特別粗（>6mm），或者特別細（<0.8mm）都有很大的風險。水路的形狀也不能完全隨心所欲。

(2) 打印復雜形狀降低機加工成本

有些模具的形狀比較復雜，使用機加工制造需要多次裝夾和換刀，一些細小的部位甚至無法加工。這種類型的模具一部分可以考慮使用3D打印來處理。不僅可以大幅減少模具的機加工工序，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 打印對比線割加工是沒有成本優(yōu)勢的，但是對于不能使用線割的盲槽模具，傳統(tǒng)加工只能使用電火花加工或者銑床開粗結合電火花精加工。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打印來制造的。

2.提高產(chǎn)品表面質(zhì)量

相比于機加工的直水路，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，夾水線等表面質(zhì)量問題。

3.提高良品率

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

二、什么類型的模具適合使用3D打印技術？

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)的成熟應用，逐一介紹。

1. 注塑模具

目前3D打印95% 的應用都在注塑模具中。而在注塑模具整個領域， 3D打印的滲透率大約在3%。對比與3D打印在整個行業(yè)5%的滲透率，顯得略低。相比于3D 打印的突出優(yōu)勢， 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)量要求高的外觀件

在電子產(chǎn)品的品類中，客戶因為外觀而產(chǎn)生購買欲的比例已經(jīng)超過了50%。外觀設計的科技感和產(chǎn)品質(zhì)感與功能設計同樣重要。讓塑料件擺脫廉價感也是現(xiàn)在電子產(chǎn)品的主要設計方向。因為這個大的設計背景，我們可以看到模具企業(yè)的客戶對產(chǎn)品外觀的質(zhì)量要求逐步提高，并有越演越烈的趨勢。我們從市場中發(fā)現(xiàn)，越來越多的3C產(chǎn)品開始大量使用3D打印技術制造的模具來生產(chǎn)外觀件。

3.特定的產(chǎn)品類型

(1) 小零件

小零件的注塑中，經(jīng)常會因為冷卻不均勻出現(xiàn)燒焦的情況。原因一是因為機加工不能做出非常細的水路；二是小零件形狀稍微復雜一點，直的水路就不能有效冷卻。3D打印技術，在這個領域有天然的優(yōu)勢，可以很好地解決小零件的注塑質(zhì)量問題。

(2)大平面外觀件

過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打印可以設計多股的放射狀等長水路或者等長平行水路，確保每個點位都均勻冷卻，注塑出*無瑕的外觀件。

(3) 深骨位

深骨位零件由于熱量的積聚，會導致燙傷、縮孔等產(chǎn)品不良問題，且需要更長的時間來冷卻。而隨形水路可以設計環(huán)繞式的盤旋水路，可以很好地解決深骨位的冷卻問題。

(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間。同時電極還是消耗品，特別是深槽損耗很大。使用3D打印來制造這類模具不僅不需要銑電極，打印出來的模具還自帶水路。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打印也可以達到開粗的目的，也可以大幅降低放電的加工時間，大幅縮減電極的損耗。

(5)透氣鋼

傳統(tǒng)方式加工的透氣鋼，不管是通過粉末冶金的方式，還是擴散焊的方式，只能加工出透氣鋼的嵌塊。3D打印可以通過結構設計或工藝參數(shù)調(diào)整直接打印出透氣鋼。這種透氣鋼的優(yōu)勢是可以和模具的其他部分無縫銜接。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，機加工難度高，費時費力。使用3D打印來制造這兩類模具也慢慢成了趨勢。

另外，機加工輪胎模、鞋模需要考慮刀路的問題，很大程度限制了這類模具花紋的設計。3D打印則不需要考慮這一點，可以設計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)應用一直是3D打印的主要應用，在研發(fā)領域3D打印模具可以更方便地替代木模、蠟模等手工模具，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，可以更快速地驗證設計，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

在可預見的未來3~5年，3D打印在模具行業(yè)將會迎來如下的變化和發(fā)展。

1. 設備成本進一步下降

由于目前整個3D打印技術沒有實現(xiàn)跨越，國產(chǎn)的3D打印設備已經(jīng)達到并在某些領域部分超過進口設備。除了激光器和振鏡系統(tǒng)，其他部分基本實現(xiàn)國產(chǎn)替代。由于目前3D打印設備廠商較多，成本壓力大，目前激光器也有逐步被國產(chǎn)品牌替代的趨勢。加之，目前3D打印行業(yè)較受資本的青睞，在設備國產(chǎn)化進程中，資本起了推波助瀾的作用。設備成本有進一步降低的趨勢。

2. 工藝進步

從市場從業(yè)者角度看，在中期3D打印技術仍然不會實現(xiàn)飛躍和跨越。打印效率、尺寸精度和粗糙度仍然不會有質(zhì)的提升。

工藝發(fā)展更多的是匹配新材料的工藝開發(fā)。

3. 材料發(fā)展

由于目前3D打印模具材料的諸多問題，新材料的開發(fā)會迎來較快的發(fā)展，市面上會出現(xiàn)新的耐腐蝕并且耐磨的新材料。研發(fā)方向?qū)�會從現(xiàn)有的傳統(tǒng)牌號中，選擇適合3D打印的材料進行研究和工藝優(yōu)化。

壓鑄行業(yè)將迎來首款適合的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)商仍然沒有很好地解決H13 打印的裂紋問題。壓鑄模次難以達到3萬次的*低標準。

4. 打印服務行業(yè)的發(fā)展

打印服務的價格會進一步降低。隨著粉末價格逐年下降和市場容量的不斷擴大，現(xiàn)有牌號的3D打印服務價格，會進一步降低。

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

3D打印服務常規(guī)化。3D打印服務會逐步演變成和傳統(tǒng)加工類似的加工服務模式。

5. 自建3D打印中心的機遇和挑戰(zhàn)

隨著3D打印設備價格的降低和技術普及度的提高，模具企業(yè)會陸續(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。由于模具企業(yè)更熟悉模具制造和自身的產(chǎn)品，掌握3D打印技術后，會設計出功能性更好的模具產(chǎn)品，這點是打印服務商不具備的能力。自有的生產(chǎn)部門更有兼具保密和降成本的兩大優(yōu)勢。

設備—材料—工藝被稱為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)運營3D打印中心時，這部分恰恰是*容易的掌握的，因為市場上均有相對成熟的方案可以直接輸出。企業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)還是相關人才的適配、設計觀念轉(zhuǎn)變和制造流程嵌套。