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3D 打印技术在模具行业中的应用现状
1、概述
3D 打印,又称增材制造技术,是一种以三维 CAD 模型文件为基础,应用粉状、丝
状或片状等材料,通过“分层制造、逐层叠加”的方式来构造三维物体的技术。目前应用
比较广泛的 3D 打印成型工艺主要有:选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,
SLS)、选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、直接金属激光烧结(Direct metal
Laser Sintering,DMLS)、立体光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、熔融
沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、分层物体制造(Laminated Object
Manufacturing,LOM)等,不同类型的工艺在不同的领域有着应用的优势。
3D 打印技术在模具行业中的应用,主要分为三个方面:(1)直接制作手板上述几
种 3D 打印工艺都能制作手板,只是制作出来的手板的精度、强度和表面质量有区别,
这也是目前 3D 打印技术最常见的应用方式;(2)间接制造模具即利用 3D 打印的原型
件,通过不同的工艺方法翻制模具,如硅橡胶模具、石膏模具、环氧树脂模具、砂型模
具等;(3)直接制造模具即利用 SLS、DMLS、SLM 等 3D 打印工艺直接制造软质模具
或硬质模具。
2、3D 打印在模具制造中的应用
2.1 3D 打印技术的优越性
(1)3D 打印技术在生产过程中能实现生产材料‘零’浪费。
3D 打印技术的生产过程是根据零件的三维设计进行逐层打印,与传统的‘减材’加工
相比,实现了生产材料的‘零’浪费。
(2)利用 3D 打印技术可以加快产品的研发进度。
3D 打印技术改变了设计者的思维方式,他们会根据零件承重、受力部位的不同进
行思考。
(3)利用 3D 打印技术可以大大缩短生产周期。
3D 打印技术从设计到生产,省去了传统加工过程中工艺设计与求证的过程,缩短
了生产周期,并能根据市场需求,及时调整生产批量。
(4)利用 3D 打印技术可以大量减少设计、生产过程中的人力资源。
(5)利用 3D 打印技术可以制造具有特殊结构的模具,如随形冷却模具,这是传统
制造方法难以实现的,也是 3D 打印技术在模具行业应用中的一大亮点。随形冷却模具
具有诸多优势,可以提高模具的冷却效率,使得制品冷却趋于均匀化,提高了产品质量
和生产效率。
2.2 传统的模具制造过程
传统的模具制造过程是,在接单后还需对接单项目进行评审,评审过关后制定生产
进度表,然后进行 3D 软件修正、模流分析、分型线及进料点确定,最后反馈给客户定
稿,客户满意后才能确定制造用的零件图,才可以准备加工流程。其加工流程如图 1 所
示。从图 1 可见,采用传统的模具制造过程加工出一个合格的模具所需要的人力、物力
较多,生产周期较长。
图 1 传统的模具制造过程
2.3 利用 3D 打印技术的模具制造流程
利用 3D 打印技术直接制造模具的流程如图 2 所示(以 SLM 工艺为例),可分为成型
前准备、SLM 成型和成型后处理三个阶段。成型前准备包括模具模型的 3D 建模、STL 格
式转化、添加支撑结构、确定工艺参数、进行分层切片等数据处理;SLM 成型阶段属于
自动化加工,人工干预较少,只需对 SLM 设备的工作状况进行监控,保证设备的正常运
行即可;成型后处理包括取件、清粉、喷砂、表面打磨、抛光以及其他加工等。下面具
体讲述利用 SLM 工艺制造模具的过程。
图 2 利用 3D 打印技术(以 SLM 工艺为例)直接制造模具的流程图
2.3.1 成型前处理
(1)模型设计
模型设计是模具制造的第一步,直接决定了模具的外形特征,例如随形冷却注塑模
具,设计时不仅需要考虑冷却的效果,还需要考虑加工工艺的限制及采用的模具组合方
式等因素。冷却的效果要兼顾冷却效率和冷却的质量两个方面,需要优化冷却通道的排
布和结构特征,冷却通道的设计原则和方法等;加工工艺限制主要是针对 SLM 工艺的成
型特性,在设计时对某些特征的处理,以保证模具在成型制造时不会导致特征丢失,例
如,微小特征、悬空结构等;随形冷却注塑模具比较经济和实用的模具组合方式是镶嵌
式。
(2)添加支撑
添加支撑的目的主要有两方面,一是为了将成型工件固定在基板上,这是由于在模
具成型的过程中,由于铺粉时需要将粉料均匀紧密地平铺在基板上,铺粉时存在一定的
剪切力,若成型零件在基板上未固定或固定不足,轻微的移位会导致加工完成的工件错
层,严重时工件有可能卡住铺粉装置,损坏设备。因此,需要足够的支撑将成型工件固
定。二是为了防止特定结构打印时的特征丢失,这主要是针对倾角较大的结构。 添加支
撑是成型前处理的重要工作,对工件的成型质量有着重要影响。不同加工设备的支撑有
所区别,主要分为两类,一类是交错的网状结构,主要应用于底面平直部分较大的工件
支撑;另一类是片状的支撑,应用于圆柱面等非平直曲面的支撑。最小的支撑高度,即
最低成型面到基板平面的距离,过高则造成工件的总成型高度过大,所需的铺粉粉料用
量变大;过低则会造成取件困难,综合考虑,一般选择 3 至 5mm。
(3)确定工艺参数
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