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干貨!3D打印塑料模具與傳統(tǒng)機(jī)加工模具比較

許多3D打印支持者聲稱,3D打印對(duì)需要開模具的注塑成型是個(gè)很好的代替。真的是這樣嗎?這里我們看看相關(guān)的支持與反對(duì)意見。

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增材制造(大家所熟知的3D打?。┮呀?jīng)給制造業(yè)帶來了巨大影響。那些曾經(jīng)需要幾百美元、耗時(shí)幾周的手板件,現(xiàn)在可以早上設(shè)計(jì)、晚上打印,第二天早上就可以送達(dá)客戶手里。

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有些公司已經(jīng)在使用3D打印工藝制造注塑模具。不再需要花費(fèi)幾個(gè)月時(shí)間來等待可以用于生產(chǎn)的模具的制造,或者因?yàn)橄掠卧O(shè)計(jì)變化導(dǎo)致修改模具的大量金錢投入,或者生產(chǎn)層上的不確定因素。不管是模具驗(yàn)證還是注塑件小批量生產(chǎn),都可以快速3D打印模具。如果模具有問題或者需要修改設(shè)計(jì),再打印一個(gè)并重復(fù)驗(yàn)證或生產(chǎn)就是。對(duì)嗎?

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這些觀點(diǎn)有一些道理。塑料3D打印的注塑模具有點(diǎn)像我們后院的塑料棚,它比金屬棚便宜,塑料棚搭建速度很快且在低載荷下表現(xiàn)良好。但是如果積雪太多,他們將破裂成一屋的碎片。



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(yīng)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(dá)90%、便宜達(dá)70%。在某些情況下這可能是真實(shí)的,但是明白金屬模具相比3D打印塑料模具的優(yōu)勢(shì)/劣勢(shì)非常重要。

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真正的模具,真正的快速

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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(jī)加工得到,可加工幾個(gè)到1000個(gè)零件,發(fā)貨時(shí)間1-15天。

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它的工業(yè)級(jí)3D打印服務(wù)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(jí)尼龍及金屬(如不銹鋼、鋁合金及鈦合金等)。

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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(jī)加工制造模具呢?

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模具制造商當(dāng)警惕

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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(jiān)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品表面有臺(tái)階紋效應(yīng)。直接打印的模具也存在類似問題,后期需要機(jī)加工或者噴砂來消除這些細(xì)小的、齒狀的邊緣。此外,小于1mm的孔必須鉆,更大的孔需要擴(kuò)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(shì)。


2、尺寸因素:如果你要設(shè)計(jì)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(dāng)前的增材設(shè)備的精度很高,但是仍然沒法同加工中心和EDM設(shè)備比較。后者加工的模腔精度通常達(dá)±0.003英寸(0.076 mm),零件體積高達(dá)59立方英寸,大致是3D打印零件體積的6倍。

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3、高溫環(huán)境:為保證材料流動(dòng)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(gè)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(shí)上,在溫和環(huán)境下3D打印模具通常在使用100次以內(nèi)會(huì)失效,高溫塑料比如聚乙烯和或苯乙烯。對(duì)玻璃填充聚碳酸酯和耐高溫塑料,甚至只能生產(chǎn)幾個(gè)零件。


?4、比較成本:使用3D打印模具的一大原始是因?yàn)槠涑杀镜汀Ia(chǎn)級(jí)別機(jī)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(gè)類比并不公平,打印模具陳本的評(píng)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(fèi)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(gè)產(chǎn)品就需要重新打印、裝配機(jī)測(cè)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(gè)零件仍然服役良好。


?5、產(chǎn)品設(shè)計(jì):傳統(tǒng)注塑模具制造的原則及實(shí)踐已經(jīng)有超過一個(gè)世紀(jì)的歷史,行業(yè)對(duì)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(duì)塑料模具頂針的數(shù)量與安裝位置需要額外小心。

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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(shè)計(jì)也不同,應(yīng)當(dāng)避免使用隧道式和點(diǎn)狀澆口。直接澆口、扇形澆口、翼形澆口應(yīng)該增加到正常尺寸的3倍。

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打印模具內(nèi)聚合物的流動(dòng)方向應(yīng)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(huì)明顯降低打印模具的循環(huán)次數(shù),因?yàn)樗芰夏>叩纳崮芰Σ幌皲X?;蜾撃D敲春?。

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時(shí)機(jī)

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盡管快速鋁模具有很多優(yōu)勢(shì),有些情況下3D打印模具仍會(huì)發(fā)揮重要作用。對(duì)于有3D打印機(jī)、且有足夠時(shí)間探索打印模具如何在注塑機(jī)上工作的廠家,也許他們認(rèn)為應(yīng)該直接打印模具。

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當(dāng)然,模具設(shè)計(jì)師必須理解如何制作功能模具,模具的重新設(shè)計(jì)與制作要花費(fèi)大量成本。相關(guān)的技術(shù)人員與設(shè)備也很必要——模具噴砂的機(jī)械工人、頂針安裝、注塑機(jī)操作員等,因?yàn)檫@些參數(shù)的設(shè)置與傳統(tǒng)模具有很大的不同。

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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(xué)器件在細(xì)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(yīng)用于航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。有些人預(yù)測(cè)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(shí)間,延長(zhǎng)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(fù)雜的模具,或則加工那些通過傳統(tǒng)機(jī)加工方法很難制造的模具嵌入物。

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結(jié)論

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總的來說,Proto Labs認(rèn)為最好使用DMLS、SLA或則其他3D打印工藝做他們擅長(zhǎng)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(huì)是個(gè)可靠的替代。

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1)小批量且相對(duì)簡(jiǎn)單的零件,產(chǎn)品需要比較大的拔模角度。

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2)工具與模具設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要對(duì)3D打印模具的設(shè)計(jì)原則很熟悉。

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3)有加工和裝配塑料模具的人員和設(shè)備。

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最終設(shè)計(jì)考慮因素。如果你需要模具長(zhǎng)期使用,一旦3D打印模具驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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?yàn)樗芰夏>咧饕∨慨a(chǎn)品生產(chǎn)使用。由于3D打印模具和傳統(tǒng)模具的設(shè)計(jì)不同,項(xiàng)目時(shí)間和預(yù)算上要考慮一定次數(shù)的模具重設(shè)計(jì)和測(cè)試。