有工業(yè)的地方就有模具。無論是個性化定制的金銀首飾，抑或是批量生產(chǎn)的日常用品，都離不開模具，所以模具被譽(yù)為“工業(yè)之母”乃實至名歸。從古代的青銅鼎鑄造到現(xiàn)代的汽車生產(chǎn)，模具涵蓋了各行業(yè)的眾多生產(chǎn)工藝，是一門既古老而又不斷與時俱進(jìn)的行業(yè)?？v觀模具行業(yè)的發(fā)展歷程，從最初的純手工制作模具，到模具的機(jī)械加工，再到如今引入了數(shù)字化設(shè)計與自動控制的模具數(shù)控加工，模具在精度、難度不斷提高且生產(chǎn)周期不斷縮短的同時，純手工制作的工序在不斷減少。隨著3D打印、智能機(jī)床、高精度的三維測量設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)以及機(jī)器人等技術(shù)的日趨成熟，模具生產(chǎn)正朝著智能制造的方向發(fā)展。

 

　　在眾多的新技術(shù)中，最早應(yīng)用到模具行業(yè)的當(dāng)屬3D打印了。

 

　　在模具的設(shè)計、制作及維護(hù)三個主要環(huán)節(jié)中，都能找到3D打印的應(yīng)用案例。在模具設(shè)計開發(fā)之前，會有一個完整的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程。引入3D打印輔助產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，不但可以降低產(chǎn)品實樣的研制費用，而且大幅縮短了開發(fā)的周期。模具的優(yōu)勢在于大批量的產(chǎn)品生產(chǎn)，但鑒于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的制約，新產(chǎn)品推出市場前通常得先開模具。如果市場反應(yīng)良好，模具能投入到批量生產(chǎn)，自然皆大歡喜；倘若市場反應(yīng)平平，新產(chǎn)品沒有批量生產(chǎn)的意義，那么前期開發(fā)的模具都將浪費。如果用3D打印機(jī)生產(chǎn)出小批量新產(chǎn)品探索市場，可節(jié)省前期模具的開發(fā)周期及費用，即便是用3D打印代替部分配件，也可節(jié)省一筆模具開發(fā)費用。然后根據(jù)市場反饋的信息，對反應(yīng)良好的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)后再開模生產(chǎn)，有的放矢的效果并非打魚撒網(wǎng)所能及。模具設(shè)計的合理性直接影響到模具制作的精度、工藝以及使用壽命，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具，用3D打印機(jī)將CAD軟件設(shè)計的模具構(gòu)件打印出來，通過實際的裝配進(jìn)一步驗證結(jié)構(gòu)的合理性。

 

　　進(jìn)入到模具制作的環(huán)節(jié)，3D打印應(yīng)用就更廣了。對于尺寸精度要求高而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料模，通常在正式開模前會先做一套試驗?zāi)！Ｅc正式模相比，試驗?zāi)５牟牧蠌?qiáng)度低、而且結(jié)構(gòu)精簡，只需為正式模提供實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)以供驗證即可。盡管如此，試驗?zāi)５馁M用以及生產(chǎn)周期仍然可觀。借助3D打印技術(shù)，將模腔以及抽芯等部件直接打印出來，再結(jié)合傳統(tǒng)的模具組立方式，可大幅降低模具的生產(chǎn)周期以及生產(chǎn)成本。以3D打印代替數(shù)控加工、電火花等多種加工工藝，使模具的加工與調(diào)試以及配件尺寸的調(diào)整變得相當(dāng)便捷。目前應(yīng)用在工業(yè)級小批量產(chǎn)品打印以及3D打印試驗塑料模中，Stratasys公司的Objet500 Connex3打印機(jī)配合Digital ABS材料是一個不錯的解決方案。

 

　　前面所講述的都是塑料3D打印的應(yīng)用，在正式模具的制作中，還會用到金屬3D打印的工藝。在塑料模具中，冷卻是其中一個很重要的工藝環(huán)節(jié)，合理的冷卻系統(tǒng)可在確保塑料件尺寸精度高、產(chǎn)品變形小的前提下，盡量縮短產(chǎn)品的注塑時間，以提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的工藝是在模具型腔板與行位(抽芯滑塊)上通過鉆孔、堵孔等方式加工出一個直線框式的運水系統(tǒng)。此法雖然可以借助銑床、搖臂鉆床等設(shè)備加工出來，但運水系統(tǒng)往往與產(chǎn)品的形狀相去甚遠(yuǎn)，造成冷卻不均勻，導(dǎo)致生產(chǎn)效率上不去。如__果根據(jù)產(chǎn)品的形狀設(shè)計出運水系統(tǒng)，可使模具的冷卻更加均勻，縮短了產(chǎn)品的冷卻時間，提高其品質(zhì)與生產(chǎn)效率。這種冷卻結(jié)構(gòu)我們稱之為隨形冷卻系統(tǒng)，由于內(nèi)部的運水管道彎彎曲曲，非常規(guī)方法所能加工，因此這類型腔板與行位需要用金屬3D打印機(jī)直接打印出來。從2016廣州國際模具展覽會上了解到，國內(nèi)某金屬3D打印公司報價為6 000元/kg，因此，目前金屬3D打印主要還是適用于精密模具的特殊零部件加工。

 

　　模具完成并投入生產(chǎn)意味著進(jìn)入了維護(hù)階段，在這個階段通常會遇到因產(chǎn)品細(xì)節(jié)需要局部調(diào)整的改模以及模具損壞的維修。

3D打印輔助激光補(bǔ)焊

 

　　如附圖所示是一款遙控器的塑料模修改的案例，按客戶要求需要在電池倉加一個缺口。由于修改的部位在模腔的曲面上且較為精細(xì)，決定采用激光補(bǔ)焊加電火花加工的方案。之所以不選用成本更低的氬弧焊， 一是因為其過多的焊肉會增加電火花加工的成本，二是容易造成模腔的棱角部位發(fā)生熔融坍塌，三是因為其發(fā)熱大，容易造成模具變形。用激光補(bǔ)焊來修復(fù)金屬表面的一些缺陷部位較為直觀、易操作，但是在模腔的曲面上增加一個有尺寸要求的配合部位就不是那么容易了。特別是普通的焊接車間，通常不具備2D或3D視圖軟件，而且焊接師傅的看圖能力有限，口述或者簡單的文字說明很難得到一個相對精準(zhǔn)的焊接效果。因此我們使用桌面級的FDM打印機(jī)將模具該部分的最終形狀打印出來，工人可以直觀地進(jìn)行補(bǔ)焊，并通過卡尺的測量準(zhǔn)確地控制電火花的加工余量。

 

　　除了3D打印，其他各種黑科技比如AR、機(jī)器人的應(yīng)用，也將深度改變傳統(tǒng)模具廠的生產(chǎn)流程。

 

　　現(xiàn)在的模具廠大多已使用CAD/CAM/CAE軟件進(jìn)行模具的設(shè)計與生產(chǎn)，與最初的手工繪圖、手工做模相比，無論是精度還是生產(chǎn)周期都是一個質(zhì)的飛躍。

 

　　盡管如此，在模具的設(shè)計、生產(chǎn)及維護(hù)等環(huán)節(jié)中，所有的數(shù)據(jù)主要還是靠圖樣傳遞，即便是無紙化辦公，大多也是引入數(shù)字終端作為傳輸載體，人性化的反饋與互動還停留在基礎(chǔ)層面。假如我們在現(xiàn)有基礎(chǔ)上引入智能模具管理系統(tǒng)以及AR技術(shù)，模具廠的各個環(huán)節(jié)以及人與人、人與設(shè)備的互動將更加緊密便捷。用AR輔助設(shè)計，可讓三維模型跳出顯示器，設(shè)計師可以從任意角度視圖，通過虛擬手動拆解模具，使結(jié)構(gòu)的可行性得到更直觀的驗證。當(dāng)操作員戴上具有AR功能的防護(hù)眼鏡進(jìn)入數(shù)控車間時，鏡片上自動顯示出當(dāng)前的加工任務(wù)及其所需的工具，按加工的流程指引操作員進(jìn)行工具準(zhǔn)備。在加工過程中，系統(tǒng)將給出溫馨的安全提示，如偵測到違規(guī)操作，將立即給出安全警告，確保操作人員的工作安全。當(dāng)加工任務(wù)完成后，智能管理系統(tǒng)還將指引操作人員進(jìn)行工具保養(yǎng)以及現(xiàn)場環(huán)境的清理。進(jìn)入到模具裝配階段，AR防護(hù)鏡的作用就更大了。工作臺上將浮現(xiàn)出模具的3D虛擬裝配模型，配模師傅只需觸摸相關(guān)的配件即可獲取設(shè)計數(shù)據(jù)以及實際工件的數(shù)據(jù)，并將提示相關(guān)的經(jīng)驗裝配方法以及所需的工具。如果在模具配作中使用新的工藝，智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能會自動將其錄入生成新的工藝方案。在模具的拋光處理過程中，AR防護(hù)鏡甚至還起到照明、拍攝放大功能，結(jié)合模具裝配機(jī)器人，使配模師傅的雙手能有更多的自由度。

 

　　工業(yè)不死，模具永生，科技的發(fā)展將繼續(xù)促進(jìn)工業(yè)的革命，而模具行業(yè)也會在變革當(dāng)中邁向更高級的智能化發(fā)展階段。