許多3D打印支持者聲稱，3D打印對需要開模具的注塑成型是個很好的代替。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？

 

       增材制造（大家所熟知的3D打印）已經給制造業帶來了巨大影響。那些曾經需要幾百美元、耗時幾周的手板件，現在可以早上設計、晚上打印，第二天早上就可以送達客戶手里。

 

       有些公司已經在使用3D打印工藝制造注塑模具。不再需要花費幾個月時間來等待可以用于生產的模具的制造，或者因為下游設計變化導致修改模具的大量金錢投入，或者生產層上的不確定因素。不管是模具驗證還是注塑件小批量生產，都可以快速3D打印模具。如果模具有問題或者需要修改設計，再打印一個并重復驗證或生產就是。對嗎？

 

       這些觀點有一些道理。塑料3D打印的注塑模具有點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，有些企業在3D打印模具的應用上比較成功。支持者稱3D打印模具比傳統模具加工方式快達90%、便宜達70%。在某些情況下這可能是真實的，但是明白金屬模具相比3D打印塑料模具的優勢/劣勢非常重要。

 

       真正的模具，真正的快速

 

       快速制造公司ProtoLabs自從1999年已經開始生產快速模具注塑零件。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）材機加工得到，可加工幾個到1000個零件，發貨時間1-15天。

 

       它的工業級3D打印服務包括光固化（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）和直接金屬激光燒結（DMLS）。可打印材料包括仿聚丙烯和ABS的類熱塑性材料、工業級尼龍及金屬（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，而是機加工制造模具呢？

 

       模具制造商當警惕

 

       ProtoLabs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持可靠的快速注塑成型工藝：

 

       表面質量：3D打印逐層加工得到零件，這會導致產品表面有臺階紋效應。直接打印的模具也存在類似問題，后期需要機加工或者噴砂來消除這些細小的、齒狀的邊緣。此外，小于1mm的孔必須鉆，更大的孔需要擴孔或者鉆孔，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打印模具的速度優勢。

 

       尺寸因素：如果你要設計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。而且盡管當前的增材設備的精度很高，但是仍然沒法同加工中心和EDM設備比較。后者加工的模腔精度通常達±0.003英寸（0.076mm），零件體積高達59立方英寸，大致是3D打印零件體積的6倍。

 

       高溫環境：為保證材料流動性能良好，注塑模具需要加熱到非常高的溫度。鋁模和鋼模通常經歷500F（260℃）甚至更高溫度環境，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幾千個零件很容易，在最終量產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條件下損毀非常迅速。事實上，在溫和環境下3D打印模具通常在使用100次以內會失效，高溫塑料比如聚乙烯和或苯乙烯。對玻璃填充聚碳酸酯和耐高溫塑料，甚至只能生產幾個零件。

 

       比較成本：使用3D打印模具的一大原始是因為其成本低。生產級別機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。但是這個類比并不公平，打印模具陳本的評估通常只考慮材料消耗，并沒有考慮人工、裝配與安裝、噴射系統和五金器具。比如ProtoLabsd的鋁模具花費1500美元可以用于生產。如果需要生產更多零件？采用3D打印模具，你每生產50-100個產品就需要重新打印、裝配機測試新的模具。另一方面，不考慮所使用的塑料，鋁模具通常在生產10000個零件仍然服役良好。

 

       產品設計：傳統注塑模具制造的原則及實踐已經有超過一個世紀的歷史，行業對其研究比較透徹。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，對塑料模具頂針的數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。澆口的設計也不同，應當避免使用隧道式和點狀澆口。直接澆口、扇形澆口、翼形澆口應該增加到正常尺寸的3倍。

 

       打印模具內聚合物的流動方向應該與3D打印線一致，避免粘滯和低壓引起的高填充。冷卻系統可在一定程度上提高模具的壽命，但不會明顯降低打印模具的循環次數，因為塑料模具的散熱能力不像鋁模或鋼模那么好。

 

       時機

 

       盡管快速鋁模具有很多優勢，有些情況下3D打印模具仍會發揮重要作用。對于有3D打印機、且有足夠時間探索打印模具如何在注塑機上工作的廠家，也許他們認為應該直接打印模具。

 

       當然，模具設計師必須理解如何制作功能模具，模具的重新設計與制作要花費大量成本。相關的技術人員與設備也很必要——模具噴砂的機械工人、頂針安裝、注塑機操作員等，因為這些參數的設置與傳統模具有很大的不同。

 

       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器件在細小金屬粉末床上逐層“畫”零件，生產的完全致密的商業產品廣泛應用于航空、醫學領域。有些人預測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，將大量減少注塑時間，延長模具使用壽命。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、復雜的模具，或則加工那些通過傳統機加工方法很難制造的模具嵌入物。

 

       實測可靠

 

      總的來說，ProtoLabs認為最好使用DMLS、SLA或其他3D打印工藝做他們擅長的事：打印零件而不是模具。但是，如果滿足以下條件，3D打印注塑模具會是個可靠的替代。

 

      1）小批量且相對簡單的零件，產品需要比較大的拔模角度。

 

      2）工具與模具設計團隊要對3D打印模具的設計原則很熟悉。

 

      3）有加工和裝配塑料模具的人員和設備。

 

      最終設計考慮因素。如果你需要模具長期使用，一旦3D打印模具驗證了設計的合理性，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，因為塑料模具主要小批量產品生產使用。由于3D打印模具和傳統模具的設計不同，項目時間和預算上要考慮一定次數的模具重設計和測試。