1.2 3D复印概论

3D复印技术是相较于3D打印技术而提出的概念，顾名思义，是指大批量复制三维实体的技术。狭义上讲，即聚合物模塑成型技术，包括注塑、吹塑、滚塑等；广义上讲，所有依靠“模子”来重复成型制品的技术均属于3D复印的范畴，例如，金属铸造、金属压铸、冲压等金属加工技术。

3D复印工艺分为三个阶段：制品实体扫描或原型构建、模具设计与制造、模塑成型。制品实体扫描是指以实物化为导向，对实体进行三维数据采集，导入计算机系统；制品原型构建是指以数字化为导向，通过三维制图软件进行制品设计和模拟仿真软件进行制品优化，形成三维数据。

模具是3D复印技术的核心部件。它的作用是控制和限制材料（固态或液态）的流动，使之形成所需要的形体。模具因其具有效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低的特点而广泛应用于制造业中。在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通信等产品中，60%～80%的零部件都依靠模具成形。模具质量的高低决定着产品质量的高低，因此，模具被称为“工业之母”。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍，甚至上百倍。

传统的模具制造主要通过机加工的方式，成型周期较长。而在3D复印工艺中，可通过3D打印模具或模仁的方式，缩短成型周期。3D打印模具主要分为塑料模具和金属模具，首先打印塑料模具进行试模修模等，然后打印金属模具进行最终制品的成型和复制。

进入20世纪以来，随着制造业和经济水平的飞速发展，模塑成型以其成型效率高、产品质量好等优势成为制造业最重要的加工手段之一（图1-3）。而模具生产的工艺水平及科技含量的高低，已成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志，它在很大程度上决定着产品的质量、效益、新产品的开发能力，决定着一个国家制造业的国际竞争力。

1.2.1 3D复印的工作原理

3D复印的基本原理（图1-4）是根据三维实体的结构轮廓、形状特征等信息制作模具型腔，然后在模具型腔内注入材料，在外力或材料自身相态变化的作用下，复制成型。在此加工过程中，不同的材料需要分别加以控制，使其达到所需要的加工温度，而后按预先设定好的工艺流程，注入模具中，最后冷却固化得到所需要的制品。

3D复印成型加工有许多种基本方式。这里主要介绍两种：一种是注塑技术及其衍生技术；另一种是滚塑成型技术。

（1）注塑技术及其衍生技术

注射成型技术（简称注塑技术），是将加热熔融的聚合物材料注射到模具型腔内，经冷却固化而得到成型制品的技术，它是塑料制品加工成型最重要的工艺方法之一，也是3D复印技术最基本、应用最广泛的形式之一［7］。

注射成型是一个周期性往复循环的过程，从注射成型机（简称注塑机）单元操作来看，其动作分为塑化、注射、充模、保压、冷却、脱模等阶段，其工作过程循环周期如图1-5所示。循环由模具闭合开始，熔体注射进入型腔；型腔充满后会继续保持压力以补充物料收缩，称为保压；在物料冷却过程开始时，螺杆开始转动，在螺杆前端储料用于下一次注射；待制品充分冷却后，开模，顶出制品。完成一次循环的时间称为成型周期，它是关系生产率和设备使用率的重要指标。

①模具的闭合与锁紧　注塑机的复印过程从模具闭合开始，动模板首先以高速向定模板移动，在二者快要接触时，动模板改以低速压紧，待动定模板之间的压力达到所需值之后，信号反馈给控制系统，进行下一动作。

②注射座前移、注射及保压　注射系统接到控制系统的信号后，开始慢慢地向模具系统移动，直到和模具贴合。螺杆在注塑油缸驱动下快速前移，以一定压力和速度将熔料注入模具中。但是，由于低温模具的冷却作用，注入模具中的熔料，随着时间的推移会发生收缩，为了补偿这一部分收缩，制得质量致密的制品，通常螺杆前端会存有少量熔料（料垫），收缩过程中，这部分熔料便进入到模具中，此时螺杆相应的会有一小段向前的位移。

③制品冷却与预塑化　熔料自进入模具便开始冷却，冷却达到一定程度后，浇口封闭，此时熔料无法回流到注射系统，制品便在模具内慢慢冷却定型。为了缩短成型周期、提高生产效率，制品冷却的同时，注射系统开始为下一次注射做准备，螺杆转动，料斗内的料粒或粉料向前输送并熔融塑化，在正常情况下，熔料向前的压力低于喷嘴给它的阻力，但大于注射油缸工作油的回泄阻力，所以螺杆边转动边后退，后移量即为料垫的量。当螺杆后退到达到计量值时，螺杆停止转动。

④注射座后移与制品取出　螺杆塑化计量结束后，注射系统后移，模具打开，利用顶出机构将已定型的制品顶出，一个注塑周期结束。

在整个成型周期中，以注射时间和冷却时间最为重要，它们对于制品成型质量有着决定性的影响。注射时间包括充模时间和保压时间两个部分。充填时间相对较短，一般在3～5s；保压时间所占比例较大，一般为20～120s（壁厚增加时则更长）。注塑机充填过程以速度控制方式完成，经过速度/压力切换点转换为压力控制方式开始保压，速度/压力切换时间的确定直接影响到制品质量。

在保压过程中，保压压力与时间的关系称为保压曲线。保压压力过高或保压时间过长，产品容易出现飞边且残余应力较高；而保压压力过低或保压时间过短，产品则容易产生缩痕，影响产品质量。因此保压曲线存在最佳值，在浇口凝固之前，通常以制品收缩率波动范围最小的压力曲线为准。

冷却时间则主要取决于制品的厚度、塑料的热性能和结晶性能以及模具的温度。冷却时间过长，会影响成型周期，降低生产力；冷却时间过短，将造成产品粘模，难以脱模，且成品未完全冷却固化便脱模，容易受外力影响而引起变形。成型周期中其他时间则与注塑机自身性能及自动化程度有关［8］。

注射成型技术是根据金属压铸成型原理发展而来的。随着科技的不断进步，注射成型工艺不断创新，诸如注射压缩成型、注拉吹成型、气体或水辅助注射成型、传递模塑成型（RTM技术）、反应注射成型、微发泡注射成型、多组分注射成型、微分注射成型［9］（图1-6）、纳米注射成型等。

（2）滚塑成型技术

滚塑成型技术［10］（又叫旋塑成型技术），是顺应大型塑料制品的市场需求而出现的特种高分子制品模塑成型技术，是一种在高温、低压条件下制造中空塑料制品的工艺方法。它适用于模塑表面纹理精细、形状复杂的大尺寸及特大尺寸中空制品，且所加工制造的产品具有壁厚均匀、尺寸稳定、无残余应力、无成型缝、无边角废料等优点。

滚塑成型过程主要分为填充、加热、冷却、脱模4个阶段（见图1-7），具体如下。

①填充　将依据科学计算后所需的热塑性工程塑料进行称量和预处理，以粉料或者液体的形式注入滚塑模具的型腔中。

②加热　把滚塑成型装置置于加热室中，对滚塑模具进行加热。在对滚塑模具加热的过程中，同时对内外轴（也称主副轴）按照一定的旋转速比进行旋转，使所有的粉料黏附并固化在滚塑模具型腔的内表面上。

③冷却　将滚塑模具从加热室移置于冷却室内，使得滚塑模具型腔内的热塑性粉料冷却到能够定型的温度。在此过程中需要依据物料的流动性能和制品的结构形状设置精确的冷却时间和冷却条件，并且滚塑成型装置需要保持不断地旋转。

④脱模　设置滚塑装置内外轴转速，使滚塑成型装置位于设定的开模位置，打开滚塑模具，取出制品，并作定型处理（可根据制品的结构复杂程度设计是否需要做定型处理）。

旋塑成型主要用于制造大型的塑料制品，例如，家具、皮划艇、军用包装箱等，如图1-8所示。目前的旋塑成型装备、模具及工艺技术相比于其他的塑料成型方法还比较落后，存在成型周期长、能源消耗大的问题，在很大程度上制约了旋塑技术在聚合物成型领域的广泛应用。

1.2.2 3D复印的意义

在探索产业前进方向的进程中，3D打印的出现，使产品工业设计快速更新，对现代制造业生产流程产生着积极的影响。然而，3D打印以逐层堆积的方式构造产品，加工难度较大，成型效率相对较低。相对于3D打印，以注射成型为代表的3D复印在模塑成型领域则拥有着更为迫切的市场需求和广阔的应用前景。3D复印技术是将注塑成型装备作为3D复印机，实现复杂结构特征塑料制品的三维立体复制，生产过程高度自动化，效率高、速度快、制品精度高。无论是高精度产品制造还是大批量生产，3D复印技术都有着其他技术无可比拟的优势。

20世纪以来，人们的物质生活和精神生活都有了较高的要求。人们日益增长的物质文化需求必然依赖于先进的社会生产力，大批量、高精度的产品制造技术应运而生。因此，诸如注塑、滚塑等3D复印技术的出现，使得同一产品大规模生产成为可能。3D复印技术最大的特点是成型效率高。例如，在2013年德国国际橡塑展（K2013）上，Arburg（阿博格）公司推出1.85s生产64个薄壁零件的超高速注塑机，用于滴管系统的金银丝细工结构的薄壁扁平滴头制造；KraussMaffei（克劳斯玛菲）公司现场演示高速注塑瓶盖技术，注射成型周期仅为2.1s，一台设备一年可生产十几亿瓶盖，极大地提高了生产效率（图1-9）。