3D打印技術(shù)自問世以來，市面上就不乏3D打印即將顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)的聲音，尤其是模具制造行業(yè)。傳統(tǒng)工藝注塑模具，往往需要幾個月時間來等待可以用于生產(chǎn)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，又或者生產(chǎn)層上的不確定因素。而這些利用3D打印技術(shù)貌似都可輕松解決，所以就可以說3D打印可以替代傳統(tǒng)模具制造了嗎？

這些觀點有一些道理，但并不精準，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90%、便宜達70%。在某些情況下這可能是真實的，但是大家需要明白，金屬模具相比3D打印塑料模具的優(yōu)勢/劣勢也非常重要。

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)材機加工得到，可加工幾個到1000個零件，發(fā)貨時間1-15天。

?

它的工業(yè)級3D打印服務包括光固化(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)。可打印材料包括仿聚丙烯和ABS的類熱塑性材料、工業(yè)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

?

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持可靠的快速注塑成型工藝：

?

1、表面質(zhì)量：3D打印逐層加工得到零件，這會導致產(chǎn)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(yōu)勢。

?

2、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。

?

3、高溫環(huán)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(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。事實上，在溫和環(huán)境下3D打印模具通常在使用100次以內(nèi)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(chǎn)幾個零件。

?

4、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(chǎn)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(tǒng)和五金器具。比如ProtoLabsd的鋁模具花費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個產(chǎn)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(chǎn)10000個零件仍然服役良好。

?

5、產(chǎn)品設計：傳統(tǒng)注塑模具制造的原則及實踐已經(jīng)有超過一個世紀的歷史，行業(yè)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(zhàn)，對塑料模具頂針的數(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(nèi)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(tǒng)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(huán)次數(shù)，因為塑料模具的散熱能力不像鋁?；蜾撃Ｄ敲春谩?/span>

?

時機

?

盡管快速鋁模具有很多優(yōu)勢，有些情況下3D打印模具仍會發(fā)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(shù)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(shù)的設置與傳統(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器件在細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)品廣泛應用于航空、醫(yī)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(tǒng)機加工方法很難制造的模具嵌入物。

?

結(jié)論

?

總的來說，Proto Labs認為最好使用DMLS、SLA或則其他3D打印工藝做他們擅長的事：打印零件而不模具。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(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)使用。由于3D打印模具和傳統(tǒng)模具的設計不同，項目時間和預算上要考慮一定次數(shù)的模具重設計和測試。