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3D打印是否為取代傳統模具制造?

近年來,隨著工業4.0的發展,中國制造業從“制造”向“智造”方向的發展速度越來越迅速,3D打印技術已在我國制造業中得到了廣泛運用,3D打印機可為模具設計和制造提供高效、低成本的支持。甚至隨著3D打印技術的迅猛發展,在部分領域,已逐漸開始顛覆模具技術,與之形成直接競爭關系。

“相比3D打印技術,傳統的模具制造需要更多的步驟和工藝,模具生產周期更長。模具制造商推出一種新產品時,在上市之前,新品需通過嚴苛的國際標準和認證,而眾多部件的認證將耗時巨大。這會使新產品在搶占市場的時間上處于非常不利的位置。而3D打印注塑模具則是一種高效的解決方案。知名廠商易模塑是這么做的,在他們的開放性實驗室內,利用3D打印技術制造注塑模具。”據國際模協秘書長羅百輝介紹,通常情況下,生產一個模具需要幾個星期到兩月之久,而使用3D打印技術可以在幾個小時內完成模具原型,并且可以根據測試結果立即進行修改。然后注塑出zui終的產品樣品。這些產品樣品可以直接發送認證,而這時傳統模具制造可能仍在生產當中,甚至在模具zui后確定之前,3D打印成品就已經通過認證,大大縮短了開發周期。僅在模具生產周期上,3D打印技術已經對傳統的模具制造產生了一定的沖擊。

然而業內專家表示,盡管3D打印技術具有生產周期短、原料便捷、制品壓力均勻等眾多優點,但是3D打印技術并不能完全取代傳統的模具制造方法,這是因為3D打印技術在生產制造過程中還存在一些問題。比如,3D打印技術是逐層加工得到產品,這雖然會縮短模具的生產周期,但同時也會導致模具表面具有臺階紋效應。直接打印的模具也存在類似問題,后期需要機械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,這些二次處理在很大程度上削弱了3D打印模具的速度優勢。

同時,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。鋁模和鋼模通常經歷500F(260℃)甚至更高溫度環境,尤其在加工高溫塑料,如PEEK和PEI材料時。用金屬材質模具生產幾千個零件很容易,在zui終量產模具出來前也可作為過渡模具使用。而使用3D打印技術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條件下損毀非常迅速。事實上,在溫和環境下3D打印模具通常在使用100次以內會失效,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,甚至只能生產幾個零件。

此外,使用3D打印模具的一大原因是其成本低。生產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、噴射系統和五金器具。比如ProtoLabsd的鋁模具花費1500美元可以用于生產。如果需要生產更多零件,采用3D打印模具,每生產50-100個產品就需要重新打印、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10000個零件之后仍然服役良好。因此,在生產成本上,3D打印并不比傳統的模具制造方法更能節省成本。

另外,在產品設計上,傳統注塑模具制造的原則及實踐已經有超過一個世紀的歷史,行業對其研究比較透徹,比如拔模斜角必須大于等于5度,以滿足大部分鋁模要求。3D打印模具注塑塑料零件卻面臨挑戰,對塑料模具頂針的數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,3D打印模具(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次數,因為3D打印模具的散熱能力不像鋁?;蜾撃D敲春?。

綜上,3D打印技術并不會完全取代傳統的模具制造業的地位。因為3D打印模具在成品質量、產品成本和模具設計上與傳統模具制造相比,還存在一定的不足。并且,3D打印也不適合批量生產,生產1件和生產1萬件的成本單價基本接近,而且3D打印需要的時間也較長。目前的3D打印技術只能針對小批量生產周期要求緊張的模具生產,大批量的生產還是以傳統模具制造為主。

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