基于3D打印技术及塑料成型研究的改革与创新
通过分析当前3D打印技术的特点与趋势，本文将3D打印成型技术与塑料模具设计进行有机结合，描述了以模具设计为目标的3D打印技术的设计流程，并简述打印技术的应用领域和限制因素，以促进3D成型技术在模具设计中的推广及应用。
【关键词】3D打印 模具设计 塑料模具
自从1984年Charles Hull发明3D打印机以来，3D打印工艺与技术发展迅速，逐步应用于军事、医疗、食品、航空航天等领域，3D打印技术也被众多媒体形容为“第三次工业革命的主要标志之一”。3D打印技术，也称为叠层制造技术，主要是通过连续叠层制造三维空间物体的一种增材制造技术（ALM），经过计算机设计软件设计出三维物体，并对其进行切片处理，运用3D打印机进行逐层加工，生产出不同结构和尺寸的零件。
本文将3D打印技术与塑料模具设计技术相结合，重点阐述塑料模具设计的新理论、新思维，促进打印技术在模具设计中的运用，推动3D打印技术下塑料模具设计理论的研究。
1 3D打印技术在模具行业中的应用
3D打印技术作为快速成型技术的一种，通过逐层打印的方式来构造空间物体，逐步在模具行业中进行推广与应用。就模具领域而言，为了通过对模具加工的革新来提高模具的国际竞争力，松下公司研究采用激光烧结积层法，开发出组合使用切削加工技术的加工工艺（积层复合加工），其加工精度可以达到10μm，表面粗糙度达到5μm；另一方面，运用3D打印技术可以改变零件的传统结构，可将设计在模板内的二维冷却水管改变为三维水管，从而使得模具在需要加强冷却的位置进行快速有效的冷却，促使模具温度达到均匀状态，同时还能提高模具的冷却性能，缩短成型周期，改善模具的成型品质。
模具制造企业必须认识制造业发展的整体趋势，加大对3D打印技术的投入，把握未来模具加工与3D打印技术运用的发展方向，通过开源软件不断提高、更新现有打印技术手段。在未来3D打印真正来临时，模具制造企业就能把握市场并能占领市场，在发展中掌握先机，为企业发展注入活力。
2 3D打印技术与塑料模具的有机结合
以往的塑料模具设计与制造是利用CAD软件设计出模具图，根据图纸的规范要求生产出各种非标尺寸的零件和模板，引入标准件，最后进行模具的组装与调试。如今利用3D打印技术，以逆向工程为基础，利用曲面模型重构，改变传统的塑料模具设计与制造思路，解决复杂形体的三维建模及难以加工出样件和母模的问题。3D打印技术具备如下的特点：
（1）利用先进成型技术，简化生产工艺流程。科技推进生活质量的提高，3D打印成型技术是当前的研究热点，3D打印技术的出现进一步缩减生产流程，其关键技术是控制好切片厚度以及精度控制；
（2）使用先进测量技术，进行曲面重构塑造模型。利用先进的接触式与非接触式三坐标测量技术测量出塑件的点云图，然后对其进行曲面重构以塑造出模型产品，为了简化点云数量，降低工作量，控制关键点至关重要；
（3）全面掌握注塑模具设计的基础上进行实践创新。基于UG塑料模具设计流程，利用计算机先进的设计技术，对要修整的内容可快速修改，设计环节迅速，提高生产效率。
3 3D打印技术的应用步骤及技术路线
作为一种新型的现代化数字制造技术，3D打印成型与逆向工程技术、塑料成型与模具设计相结合，其具体步骤包括：
（1）3D打印成型：利用3D打印技术对塑件的数值模型进行切片处理（≤0.1mm），并进行叠层制造，控制好打印速度和打印工艺，打印出塑件产品的模型；
（2）产品数据采集：使用接触式三坐标测量仪对打印塑件进行数据测量，形成点云图，需要考虑后续的曲面重构和模型重建，尽量采集关键位置的数值参数，减少点云的数量，降低后期处理的工作量；
（3）模型数据重构：产品样件的曲面重构是3D打印技术应用过程中最为重要的一环，选择Imageware等软件进行模型重构，先需要处理与修正逆向工程中的点云图数值参数，然后进行塑件的曲面重构，模拟出高质量的数值模型，达到高效快捷的数模重构目的；
（4）生成实体模型：应用3D造型软件UG对曲面重构后的零件进行实体模型的生成，设定好塑件的收缩率，然后按照塑料模具的设计步骤与程序设计出相应的塑料模具。
项目研究技术路线主要包括：（1）3D打印成型；（2）产品数据采集；（3）模型重构；（4）塑料模具设计等。具体技术路线如图1所示。
4 3D打印技术的应用领域和限制因素
4.1 医疗领域
现如今，3D打印技术广泛应用于医疗领域，从医疗器械到仿生器官、人体骨架结构及手术应用等均有应用。3D打印技术可以用来提高手术的精准度，制造出人体组织和器官，打印心脏细胞、钛合金骨架结构和其他人造生物组织，普林斯顿大学的研究人员使用3D打印技术制造出一只仿生耳朵，以缓解器官移植中的供体短缺问题。目前打印细胞遇到的难题就是确保打印组织得到及时滋养并让它存活，也是研究人员面临的最大的挑战。
4.2 军事领域
在军事领域，3D打印技术也被积极推广与应用，军事装备是先进制造技术的缩影，我国已经可以利用3D打印技术生产钛合金的飞机翼梁，提高其整体的强度与刚度。3D打印技术在军事制造领域的应用主要集中在三个方面：验证产品外形、直接制造产品和精密熔模铸造的原型制造。
4.3 制造业
当前我国制造业整体水平落后，创新思维缺乏，必须大力引进新技术、新装备和新加工工艺，助力制造业的创新与发展。随着科技的不断进步，塑件的复杂程度和精度要求不断提高，提高了对成型模具的生产要求，引入3D打印技术，减少复杂模具型腔的制造工艺，节约模具的开发成本。
4.4 食品领域
3D打印技术开辟了新时代，打印食物，可以打印出各种形状的糖和巧克力，李嘉诚先生旗下的公司向Modern Meadow投资1000万美元，该公司能够在实验室里培养出畜肉和皮革，西班牙Natural Machines公司的Foodini 3D食物打印机颠覆传统的烹饪方式，创造出更多更新的食品类型，吸引消费者的注意力。
4.5 限制因素
当前阻碍3D打印技术的限制因素较多，主要集中在有限的打印材料种类（热塑性塑料和低熔点合金）、过高的打印成本、较低的打印精度，并且打印出产品的物理性能、强度和表面质量也不高，需要进行后期处理，这些因素均限制了3D打印技术的推广与应用。
5 结束语
3D打印技术正在快速发展，未来将会有更多、更高端的3D打印机进入市场，模具制造也应把握时代发展的浪潮，将3D打印技术与测量技术、逆向成型技术进行有机结合，大力推进3D打印技术在模具制造与研发中的应用，改良现有生产工艺，简化模具制造流程，缩短模具开发周期。作为模具专业的专业核心课程，《塑料模具设计与制造》也应适当加入3D打印技术的知识，将其作为课程的扩展部分，鼓励学生去学习与探索，从而促进我国急需的应用型人才的培养，为国家基础制造工业的发展注入新的活力。
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作者简介
符学龙（1980-），博士学位。现为江苏财经职业技术学院讲师。研究方向为先进制造技术及复合材料研究。
作者单位
江苏财经职业技术学院 工程学院 江苏省淮安市 223003
