正在躍升的3D打印技術成就更好的模具
增材制造-3D打印技術其中一個顯著優勢是在無需模具的情況下直接制造出零部件，隨著3D打印材料的發展，增材制造質量控制水平的提升，3D打印技術正在從少量原型產品的制造，向最終零部件的批量制造方向發展。如果從這個角度來看，3D打印技術與模具制造技術似乎是一對矛盾， 兩者之間有著替代關系。
但是同時，在發展的過程中3D打印技術憑借在實現復雜結構與無模具直接制造方面的優勢，又被應用于模具制造當中，這些應用在提高模具全生命周期的綜合價值中發揮了重要作用，典型的應用包括金屬3D打印制造注塑模具隨形冷卻水路，粘結劑噴射技術直接制造發動機鑄造砂芯等。
的確，3D打印技術與模具之間“廢與立”的微妙關系正在發展中，一方面3D打印成就更復雜更具產品附加值的模具，另一方面，3D打印以直接制造產品的“無模”化優勢正在“越過”模具制造環節。了解3D打印在模具領域的應用與發展趨勢，這就需要對3D打印與模具如何發生密切的作用進行深入的了解。
3D打印提升模具性能
各有千秋的3D打印技術
3D打印包含各種不同的技術，分別被應用到隨形冷卻模具，熔模-精密鑄造，陶瓷模具-精密鑄造，砂型模具-重力鑄造，快速模具等細分領域。
圖片：3D打印在模具領域的應用細分
應用到砂型模具的3D打印技術類別主要是3DP-粘結劑噴射3D打印技術和SLS選區激光燒結3D打印技術。
制造熔模的3D打印技術類別很多，包括SLA/DLP/CLIP，材料是光敏樹脂；MJP/HSS，材料是尼龍；3DP粘結劑噴射3D打印技術，材料是亞克力（PMMA)；SLS選區激光燒結技術，材料主要是尼龍；以及FDM-熔融沉積成型技術，材料主要是ABS。
圖片：3D打印在模具領域的技術應用矩陣
用于制造隨形冷卻模具的3D打印技術包括，基于粉末床的選區激光熔化金屬3D打印技術（LPBF）（包括SLM/DMLS/EBM技術)，DED定向能量沉積金屬3D打印技術，以及混合金屬3D打印技術（通常基于CNC數控加工設備）。
用于制造陶瓷模具的3D打印技術包括3DP-粘結劑噴射3D打印技術和DLP-數字光處理3D打印技術。DLP-數字光處理3D打印技術通常將樹脂材料與陶瓷材料混合打印出來，然后通過燒結將樹脂材料燃燒掉，從而留下陶瓷材料，形成陶瓷制品。
圖片：3D打印在模具領域的技術應用矩陣
用于制造快速模具的3D打印技術通常包括FDM-熔融沉積成型技術以及DLP-數字光處理3D打印技術。在這方面，我們或許會疑惑，既然3D打印可以直接制造塑料產品，為什么還需要通過3D打印制造塑料材質的快速模具，再獲得塑料產品呢？這其中的原因主要來自3D打印的塑料材料種類還十分有限，尤其是在產品的設計驗證階段，還不能完全實現真材制造（即3D打印的塑料與實際用于量產的塑料是一樣的），那么在這種情況下，為了獲得真材的驗證，則需要通過3D打印快速模具來降低模具制造的成本與周期。
值得注意的是每種3D打印技術各有千秋，有的在尺寸方面有優勢，有的在表面精度方面可以實現極為細節的精度，例如光固化工藝可以實現光滑精致的細節，從而被應用與首飾的失蠟法鑄造方面。有的在膨脹率方面性能表現突出，例如PMMA亞克力材料用作熔模則不會發生“漲殼”情況。
圖片：3D打印隨形冷卻模具
成就更好的模具
l 隨形冷卻模具
其中，以3D打印在隨形冷卻模具的應用中為一大典型應用。注射成型過程中，冷卻所占比例約為成型周期的60%，因此冷卻周期很大程度上直接影響到生產周期。生產周期的降低可以大幅度提高生產效率，從而節約對注塑機設備、場地和人員的投資。大幅降低制造成本，提高模具企業的利潤。
傳統生產加工中，我們所采用的冷卻管道為橫平豎直樣式，很多區域受到現有加工技術限制不能做冷卻管路，這樣極大了影響了最終成型周期及產品質量。隨形冷卻采用粉末逐層燒結技術，這就賦予了設計的自由性，讓管路隨著產品的外形布局，讓設計者不再受加工技術的限制，讓所想即所見成為現實。
基于粉末床的選區激光熔化金屬3D打印技術（LPBF）通常被用于加工隨形冷卻模具，這些模具的表面光潔度至關重要，因為它們將決定最終注塑零件的外觀。因此，至關重要的是，在3D打印模具鑲件時必須具有非常穩定的打印過程，以生產出高密度零件，從而在后加工后實現完美的表面光潔度，這些是3D打印技術本身最具挑戰性的要求。
模具應用的另一個挑戰是與增材制造工藝可以處理的材料相關，基于粉末床的選區激光熔化金屬3D打印技術（LPBF）本質上是焊接過程，模具中常用的通過淬火達到硬化狀態的材料由于焊接性能較差而在大多數情況下不適合通過3D打印來加工。在3D打印模具制造中，通常使用不用于模具制造但可以滿足模具需求的金屬材料，最常見的材料是馬氏體時效鋼。
在這方面，金屬粉末供應商正在對新材料進行研究，以便滿足模具的特定需求（硬度，耐腐蝕性等），同時仍可進行高質量的3D打印。
值得注意的是，3D打印的隨形冷卻模具鑲件還可以用于壓鑄領域。總體來說，無論是注塑還是高壓壓鑄，隨形冷卻設計和增材制造的結合通常都會簡化模具設計。通過減少需要組裝的部件的數量（稱為組裝加固），從而消除或減少密封的需要。尤其是，所有的注塑車間都目睹了密封失效的后果，并且非常了解與冷卻泄漏有關的停機事件。
目前，在使用3D打印模具鑲件的注塑和高壓壓鑄公司內部看來，金屬3D打印技術用于隨形冷卻模具制造已經成熟。我們將越來越多的看到金屬3D打印不再僅僅用于原型設計部門，而是在生產環境中使用。
l 輪胎模具
根據GF 加工方案，在輪胎模具制造領域，3D打印技術有兩個層面的應用：首先是復雜輪胎模具，尤其是高性能要求的冬季胎或雪地胎模具中的鋼片制造，這一技術已在國內外輪胎模具大廠中投入使用；另一個層面是復雜花紋模具的一體化制造，即無需單獨制造鋼片、鑲嵌鋼片，雖然目前仍存在變形、成本高等應用難點，但這一應用在工序簡化和提升輪胎性能方面極具優勢。
3D打印的鋼片仍面臨著在模具中進行鑲嵌的問題。當前，鋼模多采取人工鑲嵌的方式，即在模具型腔內加工出鋼片槽，然后用人工將加工好的鋼片鑲進去。少量的鋼片在模具制造中不成問題，但一副冬季胎模具經常需要動輒上千片的鋼片，有些特殊設計的輪胎甚至使用了超過 4000 片鋼片。
鋼片鑲嵌仍然是模具制造商十分困擾的問題，尤其伴隨鋼片數量增加而來的鋼片距離減少，導致空間過小而難以施展，此問題對于距離小于 5~ 6mm 時特別明顯。而通過金屬3D打印技術直接制造整塊復雜花紋模具，有望簡化工序，克服目前鋼片鑲嵌中存在的困擾。事實上，增材制造行業里不乏此種嘗試，但是大多停留在技術驗證階段，且并不具備量產性。
值得一提的是，在這方面，GF 加工方案提出了打印花紋塊的增材制造解決方案，此方案由花紋塊專用掃描策略和差異化層厚等兩個具體改善措施組成，除了可以滿足生產商對模具尺寸精度與表面光潔度的高要求，同時還能將單個花紋塊的加工時間明顯縮短，為花紋塊制造的創新工藝提供可實現的產業化之路。
l 砂型模具
3D打印砂型模具方面，典型的產業化案例是寶馬汽車。為了滿足輕量化以及熱管理性能的需求，寶馬采用了3D打印技術來制造S58發動機缸蓋的鑄造砂芯。S58發動機的渦輪壓氣機和冷卻管路都經過重新設計，升級的壓縮機和由低溫回路提供的間接中冷器，進一步增強了S58發動機的功率輸出。該發動機還集成了三個散熱器，以及獨立的發動機機油冷卻器、獨立的變速器油冷卻器。
寶馬通過創新的3D打印模具技術在3-5天內實現從模型到產品，也可以通過創新的工藝、夾具、刀具以及整線自動化設計，實現新能源車關鍵零部件的柔性、高效生產。
在這方面，國際上voxeljet-維捷通過自動化3D打印復雜的砂模和砂芯（稱為VJET X），為汽車關鍵零件生產領域提供集成的自動化增材制造解決方案。
競合
l 成就與競爭
不過雖然3D打印成就更為復雜精密的模具，但是由于3D打印可以直接制造塑料與金屬制品，3D打印對模具的替代作用也呈上升趨勢。
在這方面，我們需要了解，3D打印對注塑模具的替代。3D打印與注塑競爭的可能性有多大？無疑，注塑工藝的優勢在于大批量，而3D打印的優勢在于小批量或者是用于非常復雜的設計。目前，要替代掉注塑工藝，3D打印的發展空間要么是小批量簡單設計，要么是大批量非常復雜的設計。而3D打印技術要想在小批量簡單產品的生產工藝上取得一席之地，就需要在打印價格方面更便宜。3D打印技術要想在大批量復雜產品的生產工藝上獲得比注塑工藝更大的優勢就需要打印速度更快。
另一方面，我們還需要了解，3D打印對MIM金屬注射成型、鑄造、壓鑄及鍛造等工藝的替代，由于3D打印技術的發展十分迅速，今天3D打印技術上的某些劣勢迅速被明天誕生的新優勢所逾越，制造行業需要保持開放的態度對待3D打印技術的發展，模具制造商需要同時關注3D打印成就復雜模具和3D打印逾越模具這兩個維度的發展以保持競爭力。
此外，他山之石可以攻玉，企業在發展過程中，除了加強自身的創新實力，尋求與市場上的優勢資源相結合是另外一條加快發展的路徑。在這里，Fraunhofer弗勞恩霍夫IPT工業生產技術研究所，Fraunhofer弗勞恩霍夫ILT激光研究所，RWTH亞琛工業大學等增材制造研究領域集中優勢的研發資源，在3D打印方面通過亞琛增材制造中心(ACAM)，連接增材制造研發領域的中堅力量，在全球范圍內為制造企業提供歐洲領先科研機構多年來積累的增材制造專業技術，幫助企業應對增材制造技術在應用中的挑戰。
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