3D打印與注塑成型：選擇哪種制造方法？

魔猴君  知識堂   127天前

在制造業(yè)中，有多種生產(chǎn)技術(shù)可以滿足不同的需求。其中，注塑成型和3D打印。這兩個過程各有優(yōu)勢，并且通常是互補(bǔ)的。為了更好地理解它們，我們將探討它們的基本原理、獨特特征、應(yīng)用、市場制造商和所涉及的成本。

在討論每項技術(shù)之前，及時對它們進(jìn)行定位以便了解它們的來源是很有用的。注塑成型的歷史可以追溯到1860年代，當(dāng)時John Wesley Hyatt發(fā)明了賽璐珞（一種開創(chuàng)性的塑料材料）。后來，海厄特和他的兄弟以賽亞獲得了第一個注塑系統(tǒng)的專利，該系統(tǒng)由一個活塞組成，可將熔化的賽璐珞壓入模具中。整個20世紀(jì)，技術(shù)不斷發(fā)展，詹姆斯·沃森·亨德利(James Watson Hendry)于1946年發(fā)明的旋轉(zhuǎn)螺桿注塑機(jī)等發(fā)明至今仍是默認(rèn)的注塑系統(tǒng)。

至于增材制造，它起源于20世紀(jì)80年代。第一個3D打印系統(tǒng)基于Chuck Hull開發(fā)的立體光刻技術(shù)，并于1986年獲得商業(yè)專利。顯然還有許多其他制造工藝，可兼容多種制造工藝。適用于不同應(yīng)用和行業(yè)的材料。

注塑和3D打印：它是如何工作的？

3D打印是如何工作的？

3D打印是一種通過從數(shù)字繪圖中逐層添加材料來創(chuàng)建物體的生產(chǎn)過程。這種方法提供了極大的靈活性和精度，可以創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀，而使用傳統(tǒng)的制造方法（包括注塑成型）很難甚至不可能實現(xiàn)這些幾何形狀。增材制造涵蓋不同的技術(shù)系列，這些技術(shù)在可用材料、能源和添加材料的方法方面有所不同。如果我們對它們進(jìn)行一般性的分類，我們可以說主要有三種工藝：基于擠出的工藝、基于光聚合的工藝和基于粉末熔融的工藝。在每個系列中，都有需要獨特設(shè)備的變體，這些變體不使用相同的材料，并且其結(jié)果明顯不同。然而，每種技術(shù)都有明確的步驟來實現(xiàn)最終部分。

該過程首先使用計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)軟件創(chuàng)建3D繪圖。繪圖完成后，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字文件。數(shù)字模型以與3D打印機(jī)兼容的格式導(dǎo)出，例如STL、OBJ或3MF，然后將文件加載到切片軟件或slicer中，該軟件將模型轉(zhuǎn)換為水平圖層并生成G代碼。此代碼包含3D打印機(jī)將遵循的指令。實際的制造取決于所使用的打印技術(shù)。打印完成后，物體可能需要也可能不需要后處理，后處理可能包括支撐去除、打磨或熱處理。

注塑成型是如何工作的？

顧名思義，注塑成型工藝涉及將熔融材料注入模具中，材料在模具中冷卻并固化以形成最終部件。該過程從材料的選擇和制備開始，材料可以是顆粒、粉末或預(yù)成型件的形式。盡管最常見的材料是塑料，但在此過程中也可以使用金屬或玻璃。我們將更詳細(xì)地介紹與該技術(shù)兼容的材料。材料準(zhǔn)備好后，將其送入進(jìn)料斗，然后從那里送入桶中。

注塑機(jī)剖析（照片來源：3ERP）

機(jī)筒內(nèi)裝有高溫螺桿，在加熱的同時旋轉(zhuǎn)并推動物料。這種熱量會熔化材料，使其變得粘稠和流動。值得注意的是，此階段的溫度最高可達(dá)200℃。一旦材料熔化，螺桿就會前進(jìn)，并通過噴嘴系統(tǒng)將其在高壓下注入模腔，類似于擠出機(jī)。注射時間可以很短，通常在0.1至2秒之間。一旦塑料被注射到模具中，由于模具溫度較低，它幾乎立即開始冷卻和凝固。此外，模具還設(shè)有通風(fēng)孔，有助于保持恒溫并加速冷卻過程。

當(dāng)材料凝固后，關(guān)閉裝置（可以是液壓機(jī)或電動壓力機(jī)）釋放壓力，導(dǎo)致模具打開并釋放零件。最后，模具閉合并重復(fù)注射周期以生產(chǎn)下一個零件。需要注意的是，盡管存在不同類型的模具，例如多腔模具、雙注射模具或混合模具，但它們由相同的基本結(jié)構(gòu)制成以執(zhí)行上述機(jī)械功能。鑄件的后處理包括去毛刺、噴漆、表面處理或裝配。

與注塑和3D打印兼容的材料

增材制造和注塑成型都使用適合各種應(yīng)用和行業(yè)的多種材料。例如，在FDM 3D打印中，PETG、PLA和ABS等熱塑性塑料由于易于擠出而占據(jù)主導(dǎo)地位。增材制造還使用熱固性材料、彈性體和工程樹脂。它可以加工金屬（如鈦和鋁）和陶瓷，從而拓寬了其應(yīng)用范圍。有趣的是，某些工藝與注塑中使用的塑料顆粒兼容，以便找到相關(guān)材料的所有特性。讓我們記住，3D打印中使用的細(xì)絲的成分會發(fā)生變化。

注塑成型的首選材料仍然是塑料。

與增材制造一樣，注塑成型與多種材料兼容，這些材料在很大程度上具有相同的使用可能性（熱塑性塑料、熱固性材料、彈性體、金屬和工程樹脂，例如尼龍和聚碳酸酯）。這種多功能性使得能夠生產(chǎn)耐用的汽車零部件、醫(yī)療級硅膠植入物和其他高性能零件。注塑成型能夠加工致密材料，這使得它對于生產(chǎn)需要高結(jié)構(gòu)完整性和尺寸精度的零件非常有用。

后處理

精加工和后處理對于提高3D打印和注塑成型零件的功能和美觀特性至關(guān)重要。就3D打印而言，由于打印過程會產(chǎn)生粗糙的紋理和可見的層線，因此實現(xiàn)光滑的表面光潔度通常需要噴砂、拋光或化學(xué)處理等后處理技術(shù)。對于許多3D打印技術(shù)，特別是FDM、SLA、DLP和材料噴射，去除支撐是打印零件后處理的另一個關(guān)鍵步驟，特別是對于具有復(fù)雜幾何形狀或懸臂式的設(shè)計。一般來說，這些技術(shù)對于細(xì)化表面紋理、提高零件耐用性和確保尺寸精度至關(guān)重要，這對于需要高質(zhì)量美觀或功能表面的應(yīng)用至關(guān)重要。然而，每種后處理技術(shù)都高度依賴于最初使用的3D打印技術(shù)。

樹脂3D打印零件需要進(jìn)行后處理以去除支撐物和多余的樹脂

在注塑成型的情況下，后處理通常比增材制造的情況要少得多，因為模具可以將高質(zhì)量的光潔度轉(zhuǎn)移到零件上。然而，有時需要幾個步驟才能確保最終產(chǎn)品符合所需的規(guī)格。最常見的后處理步驟之一是去除溢料，即在注射成型過程中從模具型腔逸出的多余材料。它通常使用去毛刺或切割工具進(jìn)行，盡管在批量生產(chǎn)中經(jīng)常使用自動化系統(tǒng)來加速這一過程。

注塑和3D打印的應(yīng)用

這兩種工藝都廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，每種工藝都利用獨特的優(yōu)勢來應(yīng)對特定的制造挑戰(zhàn)、需求和機(jī)遇。增材制造在需要定制和復(fù)雜幾何形狀的行業(yè)中表現(xiàn)出色，例如醫(yī)療、航空航天、汽車和消費品。增材制造在原型設(shè)計和定制方面的靈活性在醫(yī)療領(lǐng)域中顯而易見，個性化植入物和假肢是根據(jù)患者的個人解剖結(jié)構(gòu)量身定制的，從而改善了治療效果和患者的舒適度。

同樣，增材制造的使用在航空航天領(lǐng)域也大幅增長，在高超音速導(dǎo)彈、火箭發(fā)動機(jī)或零重力3D打印機(jī)中出現(xiàn)了特定應(yīng)用，以提高太空任務(wù)的自主性。航空航天工程師正在利用3D打印的能力來生產(chǎn)具有復(fù)雜設(shè)計的輕質(zhì)耐用零件，因為這些組件可以通過減輕整體重量或優(yōu)化傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀，從而顯著提高性能。

3D打印非常適合生產(chǎn)具有復(fù)雜設(shè)計的零件

此外，汽車制造商還利用增材制造技術(shù)，利用該技術(shù)進(jìn)行快速原型制作、多次迭代和制造輕量化零件。這樣可以快速且廉價地修改零件，并提高定制性。雖然使用該技術(shù)的行業(yè)在很大程度上重疊，但注塑成型在需要大批量生產(chǎn)和精確、一致的零件質(zhì)量的行業(yè)中發(fā)揮著獨特的作用。與增材制造一樣，它在汽車、消費品和醫(yī)療器械行業(yè)很普遍，但原因卻截然不同。

圖片6通過金屬注射成型(MIM)制造的零件

注塑成型因其能夠高效生產(chǎn)具有出色表面光潔度和高尺寸精度的標(biāo)準(zhǔn)化零件而受到青睞。具體來說，汽車應(yīng)用依靠注塑成型來生產(chǎn)大量部件，例如保險杠、門把手、儀表板和車身外板，確保一致性并符合嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在消費品行業(yè)，注塑對于大規(guī)模制造塑料包裝、容器、電子產(chǎn)品外殼和玩具至關(guān)重要，以保持產(chǎn)品的一致性并實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。與3D打印一樣，醫(yī)療行業(yè)也從注射成型中受益匪淺，尤其是注射器、導(dǎo)管和手術(shù)器械等醫(yī)療器械的生產(chǎn)。注塑在這一領(lǐng)域特別有利，因為它允許醫(yī)療保健專業(yè)人員使用滿足嚴(yán)格的生物相容性和尺寸精度監(jiān)管要求的設(shè)備。

優(yōu)點和局限性

注塑成型以其大批量生產(chǎn)的效率和成本效益而聞名，使其成為各行業(yè)高性能制造的基石。注塑成型的主要優(yōu)點是能夠以最小的材料損失生產(chǎn)大量相同的零件。模具創(chuàng)建后，生產(chǎn)過程很快，每個周期都會生產(chǎn)一個完全成型的零件，使其成為消費品和電子行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的理想選擇。隨著產(chǎn)量的增加，這種效率轉(zhuǎn)化為顯著的單位成本節(jié)省，使得初始安裝成本對于許多公司來說是值得的。對于大規(guī)模生產(chǎn)來說，注塑成型正變得極具成本效益。

注塑成型的主要優(yōu)點是可以大批量生產(chǎn)相同的零件。

然而，注塑成型面臨著重大挑戰(zhàn)，特別是在準(zhǔn)備時間和初始投資方面。模具設(shè)計和制造可能需要數(shù)周甚至數(shù)月的時間，具體取決于要生產(chǎn)的零件的復(fù)雜程度。如此長的交貨時間使得注塑成型在進(jìn)行快速設(shè)計變更時的靈活性大大降低。與制造模具、購買機(jī)械和獲取材料相關(guān)的高昂前期成本可能會限制許多小型企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)進(jìn)入市場。

設(shè)計約束也起著至關(guān)重要的作用，因為復(fù)雜的幾何形狀和內(nèi)部特征可能很難在不影響零件完整性或顯著增加設(shè)計新模具的成本或生產(chǎn)時間的情況下成型。此外，澆道（熔融材料進(jìn)入模具的入口點）必須經(jīng)過精確設(shè)計和校準(zhǔn)，以確保材料均勻流入模具，防止變形和過早冷卻。盡管存在這些障礙，一旦克服了模具制造的初始投資，每個零件的價格就會隨著產(chǎn)量的增加而大幅下降。

另一方面，與注塑成型相比，增材制造所需的準(zhǔn)備時間最短，這使其對于快速原型制作和按需生產(chǎn)非常有用。這種實施速度對于航空航天和汽車等快速發(fā)展行業(yè)的公司特別有利，這些公司受益于快速迭代和縮短的交付周期，從而能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的節(jié)省。當(dāng)需要改變設(shè)計時，例如在快速原型制作中，3D打印可以進(jìn)行快速、經(jīng)濟(jì)高效的調(diào)整，而注塑成型則需要昂貴的模具更換或更改。

此外，增材制造在可持續(xù)性方面比注塑成型具有明顯的優(yōu)勢，因為它在大多數(shù)情況下顯著減少了材料浪費。該工藝的附加性質(zhì)意味著材料僅在需要時才沉積，從而最大限度地減少浪費。雖然與傳統(tǒng)方法相比，注塑成型相對耐用，但增材制造擅長不會因澆口未對準(zhǔn)或剩余材料而產(chǎn)生廢物。

來源：Materialise

雖然初始設(shè)置很快，但3D打印的實際生產(chǎn)速度比批量生產(chǎn)的注塑成型慢。此外，盡管行業(yè)不斷進(jìn)步，3D打印零件的表面精加工通常需要大量的后處理才能實現(xiàn)所需的紋理或美學(xué)質(zhì)量，而3D打印零件通常不會出現(xiàn)這種情況。這增加了生產(chǎn)過程的時間和成本，特別是對于需要高質(zhì)量精加工的零件。此外，3D打印的入門價格可能會根據(jù)其所使用的行業(yè)而有很大差異，這決定了它是低成本還是高成本選擇。盡管增材制造是一種可靠且普遍負(fù)擔(dān)得起的制造選擇，具有無與倫比的設(shè)計靈活性，但它通常不是大規(guī)模生產(chǎn)簡單、統(tǒng)一組件的經(jīng)濟(jì)選擇。

制造時間

盡管不可能給出每個階段的確切時間表，但存在決定因素。例如，在注塑成型的情況下，模具準(zhǔn)備可能需要很長時間，因為它包括設(shè)計、制造和加工模具。事實上，模具的設(shè)計不僅考慮零件的結(jié)構(gòu)，還考慮模具周圍的整個機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)口、注射通道等。對于要打印的零件，設(shè)計時間僅關(guān)注零件，當(dāng)然還有支撐件。在這兩種情況下，設(shè)計時間都會根據(jù)零件的復(fù)雜性以及實現(xiàn)所需結(jié)果所需的修改而有所不同。

塑料瓶生產(chǎn)模具示例

至于實際生產(chǎn)時間，增材制造取決于零件的幾何形狀、打印分辨率、使用的材料和技術(shù)。例如，打印小型、簡單的零件只需幾分鐘，而打印大型零件可能需要數(shù)小時甚至數(shù)天。另一方面，注塑成型速度要快得多，因為機(jī)器經(jīng)過校準(zhǔn)，可以如此精確地重復(fù)注射材料，從而可以在幾秒鐘內(nèi)生產(chǎn)出大量零件。

注塑和3D打印的成本

另一個要點是生產(chǎn)成本。工業(yè)注塑設(shè)備的初始投資范圍從50,000美元到超過200,000美元不等，具體取決于機(jī)器的尺寸、容量和技術(shù)規(guī)格。請注意，我們也開始看到小規(guī)模生產(chǎn)的解決方案。在3D打印機(jī)方面，根據(jù)所使用的工藝、尺寸等，價格差異很大。這兩種工藝之間的主要區(qū)別之一是增材制造不需要模具投資。事實上，模具是最昂貴的組件之一，尤其是當(dāng)它們非常復(fù)雜時。模具的成本可能高達(dá)100,000美元。

軟件是另一項投資。這兩個過程都需要軟件來進(jìn)行過程設(shè)計和監(jiān)控。由于這兩種工藝的投資都是獨特的，除了專業(yè)的報價服務(wù)之外，還有在線計算器可以作為制造計算的參考點。Hubs、ICOMold或CustomPart是注塑成型計算器的示例；對于增材制造，有AMOTool或ShatterBox等解決方案。在這兩種情況下，重要的是要記住還有安裝成本、上市時間、投資、維護(hù)、勞動力和材料。

注塑成型是大批量相同零件的理想選擇

雖然增材制造仍然被認(rèn)為是小批量項目、定制零件和快速原型制造的理想選擇，但這種情況似乎在未來幾年會發(fā)生變化。事實上，正如Protolabs最近發(fā)布的一份關(guān)于市場趨勢的報告所強(qiáng)調(diào)的那樣，越來越多的專業(yè)人士正在轉(zhuǎn)向增材制造來大量制造以前使用注塑成型等傳統(tǒng)技術(shù)制造的零件。