0 、3D 打印概述

　　2012 年3 月，美國為復(fù)蘇本國實(shí)體經(jīng)濟(jì)，重振制造業(yè)的全球競爭力，奧巴馬總統(tǒng)提出建立全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，3D 打印被確定為主要發(fā)展方向。2012 年4 月，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》（The Economist）發(fā)表了一篇名為《第三次工業(yè)革命》的論述文章 ，認(rèn)為3D 打印與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起促進(jìn)第三次產(chǎn)業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)，并稱之為“未來制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)” 。從此，3D 打印技術(shù)異軍突起，風(fēng)靡全球。  

　　3D 打印技術(shù)又稱“增材制造”（Additive Manufacturing）技術(shù)。是一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的、主要采用逐層疊加制造方式將材料緊密結(jié)合在一起的工藝 ，可謂是一種顛覆傳統(tǒng)的材料加工方法。1984 年，美國人查爾斯赫爾（Charles Hull）發(fā)明了立體光刻技術(shù)，可用于打印3D 模型，至今已有30 年的發(fā)展歷程。該技術(shù)在工業(yè)制造、生物醫(yī)療、國防軍工、航天航空、建筑工程、藝術(shù)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。如西北工大采用3D 打印技術(shù)，為中國的大飛機(jī)C919 制造了3m 長的鈦合金部件 ；Krishna 等人采用合金制備了多孔生物植入體；K.N.Amato 等人利用Co 基高溫合金矩陣顆粒制備了柱狀碳化物沉積結(jié)構(gòu) ；美國時(shí)裝設(shè)計(jì)師和3D 打印領(lǐng)域的專家利用3D 打印技術(shù)“制造”世界上第一款3D 打印的泳衣 ，等。

圖1 某限位塊模具型芯三維模型

1 、3D 打印原理

　　首先，利用CAD軟件（如Pro/E）進(jìn)行建模，如圖1 所示為某限位塊模具型芯的三維模型，并將建立的3D模型沿著Z 軸進(jìn)行分層，即分割成很多個(gè)薄片，每一層對(duì)應(yīng)一個(gè)二維打印圖案信息，再利用3D打印機(jī)在一個(gè)平面上按照CAD 圖形層，將金屬、塑料甚至生物活性細(xì)胞組織[10]等材料黏合在一起，然后再逐層疊加打印，通過一層一層不同二維圖形的累積，最后形成一個(gè)三維模型。如圖2 所示，網(wǎng)格部分是XY 平面，可以看做二維圖案，3D 打印設(shè)備反復(fù)在XY 平面上打印并沉淀材料，并沿Z 軸方向移動(dòng)，最后即可得到限位塊模具型芯制品?？梢?，3D 打印必須先建立所要打印物體的三維模型，然后借助于噴墨印刷中的噴頭，將成型材料一層層噴在基材上而形成三維圖案。3D 打印工作流程如圖3 所示。

圖2 3D 打印原理圖

　　1.1 3D 建模

　　3D 打印的首要條件是建模。根據(jù)用戶提供的產(chǎn)品工程圖，選擇合適的3D 軟件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的實(shí)體模型相當(dāng)于二維打印的“原稿”。3D 打印的質(zhì)量由3D 建模質(zhì)量決定，因此3D 打印是建立在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)基礎(chǔ)之上的。幾乎所有的3D 建模軟件都可以實(shí)現(xiàn)建模，在建模過程中可以使用Pro/E、SolidEdge、AutoCAD 等矢量建模軟件完成。

　　當(dāng)然，在整個(gè)產(chǎn)品建模過程中，必須嚴(yán)格按照產(chǎn)品的工程圖，保證設(shè)計(jì)完全正確，最終3D 打印機(jī)是嚴(yán)格按照建模的數(shù)據(jù)生產(chǎn)制造。

　　1.2 數(shù)據(jù)分割

　　將3D 模型進(jìn)行三維數(shù)據(jù)向二維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，即把整個(gè)3D 模型沿XY 平面切割成若干個(gè)二維薄片，每一個(gè)薄片的厚度由打印機(jī)自身的精度決定，當(dāng)然與選擇的制作材料也有關(guān)，厚度一般從幾十μm到幾百μm 之間。理論上說，分割的層數(shù)越多，打印出的產(chǎn)品尺寸就越接近于原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。整個(gè)數(shù)據(jù)分割都是由軟件系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)的參數(shù)自動(dòng)完成的，相當(dāng)于二維打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序。

　　1.3 3D 打印

　　3D 打印過程類似于噴墨打印機(jī)的工作過程，所不同的是噴墨打印機(jī)逐行噴繪完整圖案時(shí)即結(jié)束工作，可看到噴嘴中噴出的材料形成的二維圖形，而3D 打印機(jī)在完成了第一層噴繪后會(huì)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行第二層噴繪，噴繪的層數(shù)是根據(jù)數(shù)據(jù)分割二維薄片的層數(shù)決定的。由此可見，3D 打印實(shí)際是利用材料自身厚度經(jīng)逐層堆積后形成的三維產(chǎn)品，各層之間的結(jié)合一般是靠噴嘴中噴出的膠水來粘接，故打印時(shí)可看到噴一層材料粉末，再噴一層膠水的工藝過程 。

　　1.4 后處理

　　打印結(jié)束后，還需要對(duì)打印好的實(shí)體產(chǎn)品進(jìn)行后處理，后處理工藝一般包括固化處理、剝離、模型的修整、上色等，最終打印出真正的模型制品。

2 、3D 打印的特點(diǎn)

　　3D 打印技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的加工制造業(yè)帶來了強(qiáng)烈沖擊，與傳統(tǒng)加工制造業(yè)相比，3D 打印具有傳統(tǒng)加工制造所不具備的優(yōu)勢(shì)。（1）加工精度高。自1984 年美國人Charles Hull發(fā)明立體光刻技術(shù) 以來，經(jīng)過30 年的發(fā)展，3D 打印技術(shù)在精度上提高很快，目前一般的3D 打印成型精度基本可控制在0.3mm 以下。比如3D System公司的Projet SD 6000/7000 最高成型精度可達(dá)0.025mm～0.05mm。

　?。?）加工周期短。傳統(tǒng)加工制造一般要經(jīng)過模具設(shè)計(jì)、模具制作、制作模型、修整等工序，周期長。而3D 打印不用專門制作模具，直接根據(jù)3D 建模數(shù)據(jù)來生成實(shí)體，并且對(duì)于外形復(fù)雜且無法用傳統(tǒng)加工方式加工的制件均可實(shí)現(xiàn)，大大提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期。

　?。?）個(gè)性化生產(chǎn)。個(gè)性化產(chǎn)品通常為單件小批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝成本高，周期長。3D 則滿足了個(gè)性化需求，而且時(shí)效性強(qiáng)。同時(shí)，3D 打印也適合新產(chǎn)品樣品的生產(chǎn)，對(duì)于樣品的進(jìn)一步開發(fā)研究有很大促進(jìn)作用。

　?。?）加工材料多。經(jīng)過30 年的不斷發(fā)展，3D 打印技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了金屬、塑料、陶瓷、石料、尼龍、高分子材料等常見材料的加工，從而把3D 打印技術(shù)應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

　?。?）加工成本低。傳統(tǒng)加工生產(chǎn)的成本除在人力和設(shè)備資源上外，還要經(jīng)過若干道工序或設(shè)備相互配合，但3D 打印免去了大量的人力和設(shè)備，一個(gè)人利用一臺(tái)打印機(jī)把所有工序全部完成，甚至可一人同時(shí)操作多臺(tái)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)無人車間 。雖然目前3D 打印材料比較貴，但如果用來生產(chǎn)個(gè)性化產(chǎn)品，其制作成本相比較就會(huì)降低。隨著新材料不斷涌現(xiàn)，未來成本下降將是一種趨勢(shì)。

3 、模具型芯的3D 打印

　　3D 打印已發(fā)展到十余種工藝方法，如光固法（SLA）、激光燒結(jié)法（SLS）、噴粒法（BPM）、掩層疊法（LOM）、模固化法（SGC）、熔融沉積法（FDM）等  ，本次采用熔融沉積法（FDM）進(jìn)行加工。熔融沉積（Fused Deposition Modeling，簡稱FDM）又叫熔絲沉積，是將絲狀熱熔性材料熔化，通過噴頭噴出熔化材料，噴頭可沿XY 平面移動(dòng)，按分層截面形狀沉積在底板上，根據(jù)分層多少逐層加工，最后加工出所需零件。熔融沉積法的優(yōu)點(diǎn)是成型材料成本低，無異味，成型零件機(jī)械性能較好，強(qiáng)度較高；缺點(diǎn)是成型精度不高，不宜制作復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu) 。

圖4 HTS-300 快速成型機(jī)

　　3.1 所用設(shè)備情況

　　選用HTS-300 快速成型機(jī)，如圖4 所示，它是由龍門式機(jī)架，可沿Y 方向移動(dòng)的工作臺(tái)、可沿X方向與Z 方向移動(dòng)的成形頭、控制系統(tǒng)與送絲機(jī)構(gòu)等組成，其系統(tǒng)原理圖如圖5 所示。其中，步進(jìn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)連接成形頭內(nèi)的螺桿和送絲機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)獲得外部計(jì)算機(jī)指令后，驅(qū)動(dòng)螺桿，同時(shí)，又通過齒輪傳動(dòng)將塑料絲通過送料輥送入成形頭，在成形頭中的電熱棒會(huì)將塑料絲加熱呈熔融狀態(tài)，靠螺桿的擠壓下，通過銅質(zhì)噴嘴涂覆在工作臺(tái)上。與此同時(shí)，外部計(jì)算機(jī)將導(dǎo)入的三維模型沿高度方向進(jìn)行分層切片，將每一層的輪廓數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)與成形頭沿XY方向做合成運(yùn)動(dòng)，從而使涂覆并凝固在工作臺(tái)上的塑料形成工件相應(yīng)的截面輪廓。完成一層的涂覆后，成形頭上升一個(gè)截面層的厚度（通常約為0.1mm~0.2mm），然后重復(fù)進(jìn)行下一個(gè)截面輪廓的涂覆，直至完成整個(gè)工件的成形。

圖5 HTS-300 系統(tǒng)原理圖

　　3.2 3D 打印加工過程

　　3.2.1 STL 格式文件的準(zhǔn)備

　　STL 格式文件是目前3D 打印所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)文件類型，這種3D 打印成形系統(tǒng)默認(rèn)的STL 標(biāo)準(zhǔn)格式文件由一系列小三角形的網(wǎng)格數(shù)據(jù)組成，這些小三角形網(wǎng)格就構(gòu)成了三維實(shí)體的形狀和尺寸。小三角形必須是閉合的，它們的任何錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致切片過程的失敗或工件的缺陷。

　　3.2.2 安裝成形材料

　　在加工前，必須將卷筒狀絲料（ABS）安裝在固定位置上，并將一端拉出，使其通過送料輥和導(dǎo)向套進(jìn)入加熱室。

　　3.2.3 打開設(shè)備控制軟件（HTS 系統(tǒng)）

　　打開外圍電腦上的控制軟件HTS 系統(tǒng)，將STL文件導(dǎo)入。設(shè)備在軟件打開后，會(huì)進(jìn)行自動(dòng)檢測并初始化，其界面如圖6 所示。

圖6 HTS 控制軟件系統(tǒng)界面

　　3.2.4 參數(shù)設(shè)置

　　在加工新產(chǎn)品前，必須對(duì)成型過程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為此，讀入模具型芯STL 文件后，便進(jìn)行工件加工參數(shù)的設(shè)置，其工件參數(shù)設(shè)置如圖7 所示。

　　3.2.5 加工時(shí)間估算

　　設(shè)定完工件加工參數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算本次加工的時(shí)間約為2.1h，如圖8 所示。進(jìn)行3D 打印。最終打印的產(chǎn)品如圖9 所示。

4 結(jié)束語

　　隨著3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，3D 打印技術(shù)必然會(huì)用于模具制造領(lǐng)域。該技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)的刀具、工裝夾具和機(jī)床即可制造出所需產(chǎn)品；可以精確、快速地將提前設(shè)計(jì)好的模具3D 模型加工生產(chǎn)出來，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了綠色模具、快速模具制造。