0 、3D 打印概述

　　2012 年3 月，美國為復蘇本國實體經濟，重振制造業的全球競爭力，奧巴馬總統提出建立全美制造業創新網絡計劃，3D 打印被確定為主要發展方向。2012 年4 月，英國《經濟學家》（The Economist）發表了一篇名為《第三次工業革命》的論述文章 ，認為3D 打印與其他數字化生產模式一起促進第三次產業革命的實現，并稱之為“未來制造業發展的必然趨勢” 。從此，3D 打印技術異軍突起，風靡全球。  

　　3D 打印技術又稱“增材制造”（Additive Manufacturing）技術。是一種基于計算機輔助設計的、主要采用逐層疊加制造方式將材料緊密結合在一起的工藝 ，可謂是一種顛覆傳統的材料加工方法。1984 年，美國人查爾斯赫爾（Charles Hull）發明了立體光刻技術，可用于打印3D 模型，至今已有30 年的發展歷程。該技術在工業制造、生物醫療、國防軍工、航天航空、建筑工程、藝術設計等多個領域都得到了應用。如西北工大采用3D 打印技術，為中國的大飛機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構 ；美國時裝設計師和3D 打印領域的專家利用3D 打印技術“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 軸進行分層，即分割成很多個薄片，每一層對應一個二維打印圖案信息，再利用3D打印機在一個平面上按照CAD 圖形層，將金屬、塑料甚至生物活性細胞組織[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，最后形成一個三維模型。如圖2 所示，網格部分是XY 平面，可以看做二維圖案，3D 打印設備反復在XY 平面上打印并沉淀材料，并沿Z 軸方向移動，最后即可得到限位塊模具型芯制品。可見，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。根據用戶提供的產品工程圖，選擇合適的3D 軟件進行建模設計，設計出的實體模型相當于二維打印的“原稿”。3D 打印的質量由3D 建模質量決定，因此3D 打印是建立在計算機輔助設計（CAD）技術基礎之上的。幾乎所有的3D 建模軟件都可以實現建模，在建模過程中可以使用Pro/E、SolidEdge、AutoCAD 等矢量建模軟件完成。

　　當然，在整個產品建模過程中，必須嚴格按照產品的工程圖，保證設計完全正確，最終3D 打印機是嚴格按照建模的數據生產制造。

　　1.2 數據分割

　　將3D 模型進行三維數據向二維數據的轉換，即把整個3D 模型沿XY 平面切割成若干個二維薄片，每一個薄片的厚度由打印機自身的精度決定，當然與選擇的制作材料也有關，厚度一般從幾十μm到幾百μm 之間。理論上說，分割的層數越多，打印出的產品尺寸就越接近于原始設計數據。整個數據分割都是由軟件系統根據所設的參數自動完成的，相當于二維打印機的驅動程序。

　　1.3 3D 打印

　　3D 打印過程類似于噴墨打印機的工作過程，所不同的是噴墨打印機逐行噴繪完整圖案時即結束工作，可看到噴嘴中噴出的材料形成的二維圖形，而3D 打印機在完成了第一層噴繪后會在其基礎上進行第二層噴繪，噴繪的層數是根據數據分割二維薄片的層數決定的。由此可見，3D 打印實際是利用材料自身厚度經逐層堆積后形成的三維產品，各層之間的結合一般是靠噴嘴中噴出的膠水來粘接，故打印時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

　　打印結束后，還需要對打印好的實體產品進行后處理，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

　　3D 打印技術對傳統的加工制造業帶來了強烈沖擊，與傳統加工制造業相比，3D 打印具有傳統加工制造所不具備的優勢。（1）加工精度高。自1984 年美國人Charles Hull發明立體光刻技術 以來，經過30 年的發展，3D 打印技術在精度上提高很快，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0.025mm～0.05mm。

　　（2）加工周期短。傳統加工制造一般要經過模具設計、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3D 建模數據來生成實體，并且對于外形復雜且無法用傳統加工方式加工的制件均可實現，大大提升了產品生產效率，縮短了生產周期。

　　（3）個性化生產。個性化產品通常為單件小批量生產，傳統生產工藝成本高，周期長。3D 則滿足了個性化需求，而且時效性強。同時，3D 打印也適合新產品樣品的生產，對于樣品的進一步開發研究有很大促進作用。

　　（4）加工材料多。經過30 年的不斷發展，3D 打印技術已實現了金屬、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 打印技術應用于不同的領域。

　　（5）加工成本低。傳統加工生產的成本除在人力和設備資源上外，還要經過若干道工序或設備相互配合，但3D 打印免去了大量的人力和設備，一個人利用一臺打印機把所有工序全部完成，甚至可一人同時操作多臺設備，可以實現無人車間 。雖然目前3D 打印材料比較貴，但如果用來生產個性化產品，其制作成本相比較就會降低。隨著新材料不斷涌現，未來成本下降將是一種趨勢。

3 、模具型芯的3D 打印

　　3D 打印已發展到十余種工藝方法，如光固法（SLA）、激光燒結法（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，按分層截面形狀沉積在底板上，根據分層多少逐層加工，最后加工出所需零件。熔融沉積法的優點是成型材料成本低，無異味，成型零件機械性能較好，強度較高；缺點是成型精度不高，不宜制作復雜精細結構 。

圖4 HTS-300 快速成型機

　　3.1 所用設備情況

　　選用HTS-300 快速成型機，如圖4 所示，它是由龍門式機架，可沿Y 方向移動的工作臺、可沿X方向與Z 方向移動的成形頭、控制系統與送絲機構等組成，其系統原理圖如圖5 所示。其中，步進電機同時驅動連接成形頭內的螺桿和送絲機構，當步進電機獲得外部計算機指令后，驅動螺桿，同時，又通過齒輪傳動將塑料絲通過送料輥送入成形頭，在成形頭中的電熱棒會將塑料絲加熱呈熔融狀態，靠螺桿的擠壓下，通過銅質噴嘴涂覆在工作臺上。與此同時，外部計算機將導入的三維模型沿高度方向進行分層切片，將每一層的輪廓數據傳輸給控制系統，此系統驅動工作臺與成形頭沿XY方向做合成運動，從而使涂覆并凝固在工作臺上的塑料形成工件相應的截面輪廓。完成一層的涂覆后，成形頭上升一個截面層的厚度（通常約為0.1mm~0.2mm），然后重復進行下一個截面輪廓的涂覆，直至完成整個工件的成形。

圖5 HTS-300 系統原理圖

　　3.2 3D 打印加工過程

　　3.2.1 STL 格式文件的準備

　　STL 格式文件是目前3D 打印所應用的標準文件類型，這種3D 打印成形系統默認的STL 標準格式文件由一系列小三角形的網格數據組成，這些小三角形網格就構成了三維實體的形狀和尺寸。小三角形必須是閉合的，它們的任何錯誤都可能導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向套進入加熱室。

　　3.2.3 打開設備控制軟件（HTS 系統）

　　打開外圍電腦上的控制軟件HTS 系統，將STL文件導入。設備在軟件打開后，會進行自動檢測并初始化，其界面如圖6 所示。

圖6 HTS 控制軟件系統界面

　　3.2.4 參數設置

　　在加工新產品前，必須對成型過程技術參數進行設置。為此，讀入模具型芯STL 文件后，便進行工件加工參數的設置，其工件參數設置如圖7 所示。

　　3.2.5 加工時間估算

　　設定完工件加工參數后，系統會自動計算本次加工的時間約為2.1h，如圖8 所示。進行3D 打印。最終打印的產品如圖9 所示。

4 結束語

　　隨著3D 打印技術的不斷發展和成熟，3D 打印技術必然會用于模具制造領域。該技術拋棄了傳統的刀具、工裝夾具和機床即可制造出所需產品；可以精確、快速地將提前設計好的模具3D 模型加工生產出來，縮短了產品開發周期，節約了生產成本，實現了綠色模具、快速模具制造。