干貨——3D打印塑料模具 與 傳統(tǒng)機(jī)加工模具大PK

南極熊發(fā)現(xiàn),，許多人都在說3D打印對(duì)需要開模具的注塑成型是個(gè)很好的代替,。真的是這樣嗎?下面我們一起去看看大家的意見是怎么樣的?

從現(xiàn)在來看,，3D打印已經(jīng)給制造業(yè)帶來了巨大影響,。那些曾經(jīng)需要幾百美元,、耗時(shí)幾周的手板件,，現(xiàn)在可以早上設(shè)計(jì),、晚上打印，第二天早上就可以送達(dá)客戶手里,。
有些公司已經(jīng)在使用3D打印工藝制造注塑模具,。不再需要花費(fèi)幾個(gè)月時(shí)間來等待可以用于生產(chǎn)的模具的制造，或者因?yàn)橄掠卧O(shè)計(jì)變化導(dǎo)致修改模具的大量金錢投入,，或者生產(chǎn)層上的不確定因素,。不管是模具驗(yàn)證還是注塑件小批量生產(chǎn)，都可以快速3D打印模具,。如果模具有問題或者需要修改設(shè)計(jì),，再打印一個(gè)并重復(fù)驗(yàn)證或生產(chǎn)就是。對(duì)嗎?

這些觀點(diǎn)有一些道理,。塑料3D打印的注塑模具有點(diǎn)像我們后院的塑料棚,，它比金屬棚便宜，塑料棚搭建速度很快且在低載荷下表現(xiàn)良好,。但是如果積雪太多,，他們將破裂成一屋的碎片,。

3D打印模具有自己的一席之地，有些企業(yè)在3D打印模具的應(yīng)用上比較成功,。支持者稱3D打印模具比傳統(tǒng)模具加工方式快達(dá)90%,、便宜達(dá)70%。在某些情況下這可能是真實(shí)的,，但是明白金屬模具相比3D打印塑料模具的優(yōu)勢(shì)/劣勢(shì)非常重要,。
真正的模具，真正的快速

快速制造公司Proto Labs自從1999年已經(jīng)開始生產(chǎn)快速模具注塑零件,。它提供的模具可制造工程塑料,、金屬、液態(tài)硅膠(LSR)等材料的零件,。模具主要使用鋁(有些情況下用鋼)材機(jī)加工得到,，可加工幾個(gè)到1000個(gè)零件，發(fā)貨時(shí)間1-15天,。

它的工業(yè)級(jí)3D打印服務(wù)包括光固化(SLA),、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)�,？纱蛴〔牧习�括仿聚丙烯和ABS的類熱塑性材料,、工業(yè)級(jí)尼龍及金屬(如不銹鋼、鋁合金及鈦合金等),。
既然有如此大范圍加工能力,，為什么不直接打印模具，而是機(jī)加工制造模具呢?

模具制造商當(dāng)警惕

Proto Labs公司工程師一直在考慮打印模具,，但是在做了16年的快速模具生意,，一些原因仍迫使他們堅(jiān)持可靠的快速注塑成型工藝：

01表面質(zhì)量
3D打印逐層加工得到零件，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品表面有臺(tái)階紋效應(yīng),。直接打印的模具也存在類似問題,，后期需要機(jī)加工或者噴砂來消除這些細(xì)小的、齒狀的邊緣,。此外，小于1mm的孔必須鉆,，更大的孔需要擴(kuò)孔或者鉆孔,，螺紋特征需要攻絲或者銑削。這些二次處理很大程度上削弱了3D打印模具的速度優(yōu)勢(shì),。

02尺寸因素
如果你要設(shè)計(jì)滑板或者塑料工具箱,，3D打印模具也許是毫無問題的。零件尺寸限制在10立方英寸(164立方厘米),，大致是柚子的尺寸,。而且盡管當(dāng)前的增材設(shè)備的精度很高，但是仍然沒法同加工中心和EDM設(shè)備比較。后者加工的模腔精度通常達(dá)±0.003英寸(0.076 mm),，零件體積高達(dá)59立方英寸,，大致是3D打印零件體積的6倍。

03高溫環(huán)境
為保證材料流動(dòng)性能良好,，注塑模具需要加熱到非常高的溫度,。鋁模和鋼模通常經(jīng)歷500F(260℃)甚至更高溫度環(huán)境，尤其在加工高溫塑料,，如PEEK和PEI(Ultem)材料,。用這些金屬模具生產(chǎn)幾千個(gè)零件很容易，在最終量產(chǎn)模具出來前也可作為過渡模具使用,。使用SLA或者相似3D打印工藝制造的模具材料一般是光敏或者熱固性樹脂,，它們通過紫外光或者激光固化。這些塑料模具盡管比較硬,，但是在注塑的熱循環(huán)條件下?lián)p毀非常迅速,。事實(shí)上，在溫和環(huán)境下3D打印模具通常在使用100次以內(nèi)會(huì)失效,，高溫塑料比如聚乙烯和或苯乙烯,。對(duì)玻璃填充聚碳酸酯和耐高溫塑料，甚至只能生產(chǎn)幾個(gè)零件,。

04比較成本
使用3D打印模具的一大原始是因?yàn)槠涑杀镜�,。生產(chǎn)級(jí)別機(jī)加工模具成本一般是20000美元甚至更多，意味著同1000美元的打印模具是同類比較,。但是這個(gè)類比并不公平,，打印模具陳本的評(píng)估通常只考慮材料消耗，并沒有考慮人工,、裝配與安裝,、噴射系統(tǒng)和五金器具。比如Proto Labsd的鋁模具花費(fèi)1500美元可以用于生產(chǎn),。如果需要生產(chǎn)更多零件?采用3D打印模具,，你每生產(chǎn)50-100個(gè)產(chǎn)品就需要重新打印、裝配機(jī)測(cè)試新的模具,。另一方面,，不考慮所使用的塑料，鋁模具通常在生產(chǎn)10000個(gè)零件仍然服役良好,。

05產(chǎn)品設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)注塑模具制造的原則及實(shí)踐已經(jīng)有超過一個(gè)世紀(jì)的歷史,，行業(yè)對(duì)其研究比較透徹。3D打印模具卻非常新,。比如拔模斜角必須大于等于5度,，以滿足大部分鋁模要求,。塑料模具注塑塑料零件卻面臨挑戰(zhàn)，對(duì)塑料模具頂針的數(shù)量與安裝位置需要額外小心,。

在增加模腔壁厚和降低壓力方面,，塑料模具(尤其是高注塑溫度)在某種程度上更為靈活。澆口的設(shè)計(jì)也不同,，應(yīng)當(dāng)避免使用隧道式和點(diǎn)狀澆口,。直接澆口、扇形澆口,、翼形澆口應(yīng)該增加到正常尺寸的3倍,。

打印模具內(nèi)聚合物的流動(dòng)方向應(yīng)該與3D打印線一致，避免粘滯和低壓引起的高填充,。冷卻系統(tǒng)可在一定程度上提高模具的壽命,，但不會(huì)明顯降低打印模具的循環(huán)次數(shù)，因?yàn)樗芰夏＞叩纳�熱能力不像鋁�,；蜾撃Ｄ敲春�,。

時(shí)機(jī)

盡管快速鋁模具有很多優(yōu)勢(shì)，有些情況下3D打印模具仍會(huì)發(fā)揮重要作用,。對(duì)于有3D打印機(jī),、且有足夠時(shí)間探索打印模具如何在注塑機(jī)上工作的廠家，也許他們認(rèn)為應(yīng)該直接打印模具,。

當(dāng)然,，模具設(shè)計(jì)師必須理解如何制作功能模具，模具的重新設(shè)計(jì)與制作要花費(fèi)大量成本,。相關(guān)的技術(shù)人員與設(shè)備也很必要——模具噴砂的機(jī)械工人,、頂針安裝、注塑機(jī)操作員等,，因?yàn)檫@些參數(shù)的設(shè)置與傳統(tǒng)模具有很大的不同,。

但是等等——為什么不用DMLS?為什么不直接打印金屬模具?DMLS使用激光和精密光學(xué)器件在細(xì)小金屬粉末床上逐層“畫”零件，生產(chǎn)的完全致密的商業(yè)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空,、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,。有些人預(yù)測(cè)未來鋁和模具鋼材料的模具也許將直接打印，能提供超高效的隨形冷卻水道,，將大量減少注塑時(shí)間,，延長(zhǎng)模具使用壽命。某種程度上,，DMLS直接打印模具速度慢且昂貴，通常只用于非常小,、復(fù)雜的模具,，或則加工那些通過傳統(tǒng)機(jī)加工方法很難制造的模具嵌入物,。
實(shí)測(cè)可靠

總的來說，Proto Labs認(rèn)為最好使用DMLS,、SLA或其他3D打印工藝做他們擅長(zhǎng)的事：打印零件而不是模具,。但是，如果滿足以下條件,，3D打印注塑模具會(huì)是個(gè)可靠的替代,。

1)小批量且相對(duì)簡(jiǎn)單的零件，產(chǎn)品需要比較大的拔模角度,。
2)工具與模具設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要對(duì)3D打印模具的設(shè)計(jì)原則很熟悉,。
3)有加工和裝配塑料模具的人員和設(shè)備。
最終設(shè)計(jì)考慮因素,。如果你需要模具長(zhǎng)期使用,，一旦3D打印模具驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，下一步就是采用更為永久的材料制作模具,，比如鋁或者不銹鋼,，因?yàn)樗芰夏＞咧饕�小批量產(chǎn)品生產(chǎn)使用。由于3D打印模具和傳統(tǒng)模具的設(shè)計(jì)不同,，項(xiàng)目時(shí)間和預(yù)算上要考慮一定次數(shù)的模具重設(shè)計(jì)和測(cè)試,。


來源：造物三維
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