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3D打印能 否取代传统模具制造?

 
模具被誉为“工业之母”,其应用 可以追溯到远古时代,在过去的几十年里,随着科 技革命车轮的滚滚向前,模具制 造行业拉开了新的篇章,技术随之突飞猛进,为加工 制造业做出了巨大的贡献。现如今,虽然世 界各地的传统制造业还是以模具为生产主力,但是模 具的发展却受到了3D打印技术的冲击。
 
    近年来,随着工业4.0的发展,中国制造业从“制造”向“智造”方向的 发展速度越来越迅速,3D打印技 术已在我国制造业中得到了广泛运用,3D打印机 可为模具设计和制造提供高效、低成本的支持。甚至随着3D打印技术的迅猛发展,在部分领域,已逐渐 开始颠覆模具技术,与之形 成直接竞争关系。
 
    据了解,相比3D打印技术,传统的 模具制造需要更多的步骤和工艺,模具生产周期更长。模具制 造商推出一种新产品时,在上市之前,新品需 通过严苛的国际标准和认证,而众多 部件的认证将耗时巨大。这会使 新产品在抢占市场的时间上处于非常不利的位置。而3D打印注 塑模具则是一种高效的解决方案。知名厂 商施耐德电气是这么做的,在他们 的开放性实验室内,利用3D打印技 术制造注塑模具。
 
    据施耐 德相关人员介绍,通常情况下,生产一 个模具需要几个星期到两月之久,而使用3D打印技 术可以在几个小时内完成模具原型,并且可 以根据测试结果立即进行修改。然后注 塑出最终的产品样品。这些产 品样品可以直接发送认证,而这时 传统模具制造可能仍在生产当中,甚至在 模具最后确定之前,3D打印成 品就已经通过认证,大大缩短了开发周期。
 
    在大批量生产领域,3D打印机 与传统模具的对比:
 
    传统模具
 
      1、模具耐用性:在生产应用中,模具要耐磨损,而且要经济实惠。因此,大部分 模具都采用钢制,有些甚 至采用硬质合金制造。  
 
    2、模具制造:用3D建模软件例如PRO-E将模具图绘制出来,经过不 断调整达到最终的成型效果。
 
   3、模具用途:以传统注塑、压铸、橡胶和 冲压等产品为主。
 
  4、模具强度精度:根据用 户实际需求确认强度,精度较高。  
  
    5、模具生产时间:较为快速。
 
     6、模具经济性:大批量生产经济性好,单件和 小批量经济性差。
 
      3D打印技术
 
       1、3D打印所需材料:根据用 户实际需求考虑最适合的打印材料。
 
      2、3D打印成型方式:累积式,一点一点增加上去,最终打印完成作品。
 
      3、3D打印用途:小型复杂零件用3D打印可以轻松实现,大型零件,整体打印拼凑。
 
      4、3D打印强度精度:关于3D打印的 强度和精度有很多综合因素,3D打印机的精度,所选材料的好坏,3D模型图 的精度都决定了最终出来的产品精度,强度尚可。
 
      5、3D打印生产时间:成型时间较长。
 
       6、3D打印经济性:大批量生产经济性差,单件和 小批量经济性好。
 
    仅在模具生产周期上,3D打印技 术已经对传统的模具制造产生了一定的冲击。然而业内专家表示,尽管3D打印技 术具有生产周期短、原料便捷、制品压 力均匀等众多优点,但是3D打印技 术并不能完全取代传统的模具制造方法,这是因为3D打印技 术在生产制造过程中还存在一些问题。
 
    比如,3D打印技 术是逐层加工得到产品,这虽然 会缩短模具的生产周期,但同时 也会导致模具表面具有台阶纹效应。直接打 印的模具也存在类似问题,后期需 要机械加工或者喷砂来消除这些细小的、齿状的边缘。此外,小于1mm的孔必须钻,更大的 孔需要扩孔或者钻孔,螺纹特 征需要攻丝或者铣削,这些二 次处理在很大程度上削弱了3D打印模具的速度优势。
 
    同时,为保证 材料流动性能良好,注塑模 具需要加热到非常高的温度。铝模和钢模通常经历500F(260℃)甚至更高温度环境,尤其在加工高温塑料,如PEEK和PEI材料时。用金属 材质模具生产几千个零件很容易,在最终 量产模具出来前也可作为过渡模具使用。而使用3D打印技 术制造的模具材料一般是光敏或者热固性树脂,它们通 过紫外光或者激光固化。这些塑 料模具尽管比较硬,但是在 注塑的热循环条件下损毁非常迅速。事实上,在温和环境下3D打印模具通常在使用100次以内会失效,高温塑 料比如聚乙烯和或苯乙烯。对玻璃 填充聚碳酸酯和耐高温塑料,甚至只 能生产几个零件。
 
    此外,使用3D打印模 具的一大原因是其成本低。生产级 别机加工模具成本一般是20000美元甚至更多,意味着同1000美元的 打印模具是同类比较。但是这 个类比并不公平,打印模 具陈本的评估通常只考虑材料消耗,并没有考虑人工、装配与安装、喷射系统和五金器具。比如ProtoLabsd的铝模具花费1500美元可以用于生产。如果需 要生产更多零件,采用3D打印模具,每生产50-100个产品 就需要重新打印、装配机测试新的模具。另一方面,不考虑所使用的塑料,铝模具通常在生产10000个零件 之后仍然服役良好。因此,在生产成本上,3D打印并 不比传统的模具制造方法更能节省成本。
 
 
    另外,在产品设计上,传统注 塑模具制造的原则及实践已经有超过一个世纪的历史,行业对 其研究比较透彻,比如拔 模斜角必须大于等于5度,以满足 大部分铝模要求。3D打印模 具注塑塑料零件却面临挑战,对塑料 模具顶针的数量与安装位置需要额外小心。在增加 模腔壁厚和降低压力方面,3D打印模具(尤其是高注塑温度)在某种 程度上更为灵活。浇口的设计也不同,应当避 免使用隧道式和点状浇口。直接浇口、扇形浇口、翼形浇 口应该增加到正常尺寸的3倍。打印模 具内聚合物的流动方向应该与3D打印线一致,避免粘 滞和低压引起的高填充。冷却系 统可在一定程度上提高模具的寿命,但不会 明显降低打印模具的循环次数,因为3D打印模 具的散热能力不像铝模或钢模那么好。
 
    综上,3D打印技 术并不会完全取代传统的模具制造业的地位。因为3D打印模具在成品质量、产品成 本和模具设计上与传统模具制造相比,还存在一定的不足。并且,3D打印也 不适合批量生产,生产1件和生产1万件的 成本单价基本接近,而且3D打印需 要的时间也较长。目前的3D打印技 术只能针对小批量生产周期要求紧张的模具生产,大批量 的生产还是以传统模具制造为主。
 

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