基于3D打印技术的容器设计与制造*

摘 要：本文讲叙了3D打印的发展现状，以及实际通过3D打印技术实现制作模具的过程。工厂通过3D打印技术可以大大节约成本和制作周期。首先通过计算机辅助软件CAD进行模具三维制作，又通过3D打印机制作模具，同时反馈给计算机辅助软件对三维模型进行修改。从而实现减少对原材料的浪费和减少模具制作周期。

关键词：3D打印；CAD；模具制作；模具修改的新方法

1 问题的提出

伴随生产制造业的发展，模具的需求量越来越大，但模具的生产制造过程过长一直没有得到很好地解决。而3D打印恰巧是一种快速成型技术，恰具有快速、高效、便捷等特点。它是伴随着现代CAD/CAM技术 、分层制造、机械工程、激光、计算机数控、精密伺服驱动以及新材料等多方面技术突破的基础上集成发展起来的。3D打印可以在医疗、建筑、制造等多行业发挥重要作用，有人说3D打印技术是一项革命性的技术，因为3D打印技术配合三维建模软件可以大大提高模具的生产效率、缩短模具制造的生产周期和降低资源损耗。

1.1 3D打印的原理

生活中普通的打印是对将墨水印在承印物上，而3D打印是一种立体打印技术，根据美国材料与试验协会（ASTM）2009年成立的3D打印技术委员会公布的定义，3D打印是一种与传统的材料加工方法截然相反，它是基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的方式制造模型。就像将一层层材料用粘黏剂粘起来一样，不过其制作材料和粘黏剂都是特殊的材料，他的材料能够液化、粉化、成丝或其它多种形态，打印时又能快速的硬化。现在多采用金属、塑料和陶瓷等特殊处理的材料。其采用直接制造的模型是通过计算机模拟软件建立与物理实体模型一致的三维数字模型，打印机使用一些特定的材料对材料的层叠，形成所需的模型。

1.2 打印制造过程

1.2.1 建立三维模型

首先通过对产品的可行性分析，确定产品的工艺方案，并对模型做出初步的设计。瓶子由瓶身、瓶肩和瓶身以及瓶底组成。以三维软件建立图形时先从瓶口开始，建立立体的三维实际模型。然后在实际模具中去除改瓶身的形状的部分，即可所得制造该形状瓶子的简易模具。

首先建立模具的三维模型。3D模具是基于计算机建模软件的技术生成的，可以通过SolidWorks、UG NX、AutoCAD、Pro/Engineer等三维建模软件进行3D模具设计，solidwords功能强大，简单易学但是组件繁多，软件较大。UG主要适合于大型的汽车、飞机厂建立复杂的数模，对曲面渲染较好，Pro/Engineer主要适合于快速建立较为简单的数模。AutoCAD可用于二维和三维图像的绘制，应用领域广泛。在这里我们使用AutoCAD建立有一个高130mm，底面直径60mm，瓶口直径20mm的简易吹塑模型。下面是简单的步骤：

（1）打开AutoCAD ，新建文件，从瓶口开始建立，在命令栏输入命令pline选择多段线工具（或菜单栏-绘图-多段线[P]），随机选择一点，建立塑料瓶基本图形。输入下列括号内的命令：

首先建立瓶口（@10，0）、（@0，-10）

然后建立瓶口的曲面 （a） 、（@10，-10）、 （a）、 （@10，-10）

最后完成整个曲面 （0，120）、（c）

对该图形进行“旋转”360度。输入命令（revolve）、（360）以左侧为轴建立饮料瓶实体。

（2）建立一个高长宽为140、70、70（mm）的长方体。输入命令（box）任选一点，输入（70，140，70），建立长方形。

（3）通过输入（3dmove）三维移动（3drotate）三维旋转等命令将饮料瓶放入长方体内。

（4）使用差集。选择对象为长方体，减去对象为建立的饮料瓶。输入（SUBTRACT），空格，选择长方形，空格，选择模型，空格，形成中空的塑料瓶。

（5）输入命令（slice）选择该模型，空格，输入xy，以模型中心为轴心进行剖切。

（6）另存为**.stl文件。建立模型完毕。如图1所示。

1.2.2 打印三维模具

根据实际情况，采用的打印机型号为MAKERBOT REPLICATOR 2 3D为例进行打印，该打印机选用PLA材料，基本原理是将丝状的热熔性材料加热融化，同时打印喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。成型材料种类多，成型件强度高、精度高，主要适用于成型小塑料件。

将设计好的3D模型输入3D打印机，打印机软件会自动分析模型，将模型根据分辨率进行分割成层，然后根据你的参数设置选择合适的打印速度形成相应精度的模型，将模型进行打印层叠。3D打印机是3D打印过程的重要一环，也是将它与现阶段的模具车间加工修改所不同的一个方面。它是将大型机床简化并与计算机新技术、新材料复合成的机械制造设备。它可以快速生成模具--将模具打印出来。将模具拿去进行试验加工，对其中出现的问题进行分析，对相对应的模型进行修改。3D打印技术在本环节实现快速修改的性能。避免对模具进行修模再制造然后再试这样一个“漫长”过程。

1.2.3 模具生产制造和产品制造

3D模具试验结果吻合产品要求后，就可以将3D模型传输到车间进行生产和装配，进行大批量的生产。在实际的模型制作过程中，我们使用的可能是一些金属材料或者陶瓷材料对模型进行打印，打印精度可以设置更高。

2 结束语

从1986年产生第一台商用打印机，随着技术的发展，无论在技术、应用都有了长久的进步。3D打印能够快速高效的修改型腔模型，成本便宜、制作简单，减少生产工艺中流程中产品浪费。但在高分辨率的情况下，打印速度较慢。并且对一些高精密的仪器达不到相应的分辨率，打印较为粗糙。对于突变较大的地方，还不能很好的层叠。国内3D打印的现阶段的基材还主要为高分子材料和金属，材料价格稍高，材料的选择种类还不太广泛，基材还有待于进一步的开发。工程师通过计算机三维软件快速通过模具，制造模具，应用模具，再通过反馈给设计师重新设计，现在已经有建筑师利用3D打印机打印建筑模型，医生打印骨骼甚至细胞。同样在模具生产领域，设计师已经开始利用桌面型3D打印机设计一些小型的模具，减少设计成本。在一些个性化的小批量的个性化生产，3D打印产品也能替代产品模具进行生产。

作者简介：杨连科（1993-），男，河南商丘人，本科在读，从事包装工程研究。