眾所周知,3D打印風靡了很久,它替代了很多傳統的加工方式,讓工業生產有了更多選擇和更加先進。不禁很多聲音就出來了,比如3D打印掀起工業4.0,3D打印引領智能制造等等。其中一種聲音就聲稱,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?


誠然,3D打印給工業制造帶來了很大的變化,比如3D打印手板,以前又貴,耗時又長的手板,速度就足以碾壓傳統加工方式,在這快遞迭代的時代里,速度就是生命。不單速度更快,還節省了很多費用。比如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。


但是,目前就模具來說,3D打印模具還不能代替傳統機加工模具。主要有以下幾點:


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(0.076 mm),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幾萬甚至更多,意味著同幾百幾千塊的3D打印模具是同類比較。但是這個類比并不公平,3D打印模具成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。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。所以這樣算3D打印模具也并不便宜。


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。


綜上所述,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。當然,其實并不排除3D打印模具有可能代替傳統加工模具的一天,隨著3D打印技術的發展,這一天并非不可能到來。


2018年06月06日

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為什么3D打印模具還不能代替傳統機加工模具?

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