3D打印塑料模具与传统机加工模具大PK

许多人都在说3D打印对需要开模具的注塑成型是个很好的代替。真的是这样吗?下面我们一起去看看大家的意见是怎么样的?

从现在来看，3D打印已经给制造业带来了巨大影响。那些曾经需要几百美元、耗时几周的手板件，现在可以早上设计、晚上打印，第二天早上就可以送达客户手里。

有些公司已经在使用3D打印工艺制造注塑模具。不再需要花费几个月时间来等待可以用于生产的模具的制造，或者因为下游设计变化导致修改模具的大量金钱投入，或者生产层上的不确定因素。不管是模具验证还是注塑件小批量生产，都可以快速3D打印模具。如果模具有问题或者需要修改设计，再打印一个并重复验证或生产就是。对吗?

这些观点有一些道理。塑料3D打印的注塑模具有点像我们后院的塑料棚，它比金属棚便宜，塑料棚搭建速度很快且在低载荷下表现良好。但是如果积雪太多，他们将破裂成一屋的碎片。

3D打印模具有自己的一席之地，有些企业在3D打印模具的应用上比较成功。支持者称3D打印模具比传统模具加工方式快达90%、便宜达70%。在某些情况下这可能是真实的，但是明白金属模具相比3D打印塑料模具的优势/劣势非常重要。

真正的模具，真正的快速

快速制造公司ProtoLabs自从1999年已经开始生产快速模具注塑零件。它提供的模具可制造工程塑料、金属、液态硅胶(LSR)等材料的零件。模具主要使用铝(有些情况下用钢)材机加工得到，可加工几个到1000个零件，发货时间1-15天。

它的工业级3D打印服务包括光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和直接金属激光烧结(DMLS)。可打印材料包括仿聚丙烯和ABS的类热塑性材料、工业级尼龙及金属(如不锈钢、铝合金及钛合金等)。

既然有如此大范围加工能力，为什么不直接打印模具，而是机加工制造模具呢?

模具制造商当警惕

ProtoLabs公司工程师一直在考虑打印模具，但是在做了16年的快速模具生意，一些原因仍迫使他们坚持可靠的快速注塑成型工艺：

01表面质量

3D打印逐层加工得到零件，这会导致产品表面有台阶纹效应。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。这些二次处理很大程度上削弱了3D打印模具的速度优势。

02尺寸因素

如果你要设计滑板或者塑料工具箱，3D打印模具也许是毫无问题的。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。而且尽管当前的增材设备的精度很高，但是仍然没法同加工中心和EDM设备比较。后者加工的模腔精度通常达±0.003英寸(0.076mm)，零件体积高达59立方英寸，大致是3D打印零件体积的6倍。

03高温环境

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(Ultem)材料。用这些金属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。使用SLA或者相似3D打印工艺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。

04比较成本

使用3D打印模具的一大原始是因为其成本低。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，你每生产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个零件仍然服役良好。

05产品设计

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。3D打印模具却非常新。比如拔模斜角必须大于等于5度，以满足大部分铝模要求。塑料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，塑料模具(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，因为塑料模具的散热能力不像铝模或钢模那么好。

时机

尽管快速铝模具有很多优势，有些情况下3D打印模具仍会发挥重要作用。对于有3D打印机、且有足够时间探索打印模具如何在注塑机上工作的厂家，也许他们认为应该直接打印模具。

当然，模具设计师必须理解如何制作功能模具，模具的重新设计与制作要花费大量成本。相关的技术人员与设备也很必要——模具喷砂的机械工人、顶针安装、注塑机操作员等，因为这些参数的设置与传统模具有很大的不同。

但是等等——为什么不用DMLS?为什么不直接打印金属模具?DMLS使用激光和精密光学器件在细小金属粉末床上逐层“画”零件，生产的完全致密的商业产品广泛应用于航空、医学领域。有些人预测未来铝和模具钢材料的模具也许将直接打印，能提供超高效的随形冷却水道，将大量减少注塑时间，延长模具使用寿命。某种程度上，DMLS直接打印模具速度慢且昂贵，通常只用于非常小、复杂的模具，或则加工那些通过传统机加工方法很难制造的模具嵌入物。

实测可靠

总的来说，ProtoLabs认为最好使用DMLS、SLA或其他3D打印工艺做他们擅长的事：打印零件而不是模具。但是，如果满足以下条件，3D打印注塑模具会是个可靠的替代。

1)小批量且相对简单的零件，产品需要比较大的拔模角度。

2)工具与模具设计团队要对3D打印模具的设计原则很熟悉。

3)有加工和装配塑料模具的人员和设备。

最终设计考虑因素。如果你需要模具长期使用，一旦3D打印模具验证了设计的合理性，下一步就是采用更为永久的材料制作模具，比如铝或者不锈钢，因为塑料模具主要小批量产品生产使用。由于3D打印模具和传统模具的设计不同，项目时间和预算上要考虑一定次数的模具重设计和测试。

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