3D打印能否取代傳統(tǒng)模具制造？

模具被譽(yù)為“工業(yè)之母”，其應(yīng)用可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，在過(guò)去的幾十年里，隨著科技革命車(chē)輪的滾滾向前，模具制造行業(yè)拉開(kāi)了新的篇章，技術(shù)隨之突飛猛進(jìn)，為加工制造業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。現(xiàn)如今，雖然世界各地的傳統(tǒng)制造業(yè)還是以模具為生產(chǎn)主力，但是模具的發(fā)展卻受到了3D打印技術(shù)的沖擊。

    近年來(lái)，隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，中國(guó)制造業(yè)從“制造”向“智造”方向的發(fā)展速度越來(lái)越迅速，3D打印技術(shù)已在我國(guó)制造業(yè)中得到了廣泛運(yùn)用，3D打印機(jī)可為模具設(shè)計(jì)和制造提供高效、低成本的支持。甚至隨著3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，在部分領(lǐng)域，已逐漸開(kāi)始顛覆模具技術(shù)，與之形成直接競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

    據(jù)了解，相比3D打印技術(shù)，傳統(tǒng)的模具制造需要更多的步驟和工藝，模具生產(chǎn)周期更長(zhǎng)。模具制造商推出一種新產(chǎn)品時(shí)，在上市之前，新品需通過(guò)嚴(yán)苛的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證，而眾多部件的認(rèn)證將耗時(shí)巨大。這會(huì)使新產(chǎn)品在搶占市場(chǎng)的時(shí)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。知名廠商施耐德電氣是這么做的，在他們的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，利用3D打印技術(shù)制造注塑模具。

    據(jù)施耐德相關(guān)人員介紹，通常情況下，生產(chǎn)一個(gè)模具需要幾個(gè)星期到兩月之久，而使用3D打印技術(shù)可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成模具原型，并且可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果立即進(jìn)行修改。然后注塑出最終的產(chǎn)品樣品。這些產(chǎn)品樣品可以直接發(fā)送認(rèn)證，而這時(shí)傳統(tǒng)模具制造可能仍在生產(chǎn)當(dāng)中，甚至在模具最后確定之前，3D打印成品就已經(jīng)通過(guò)認(rèn)證，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。

    在大批量生產(chǎn)領(lǐng)域，3D打印機(jī)與傳統(tǒng)模具的對(duì)比：

    傳統(tǒng)模具

      1、模具耐用性：在生產(chǎn)應(yīng)用中，模具要耐磨損，而且要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。因此，大部分模具都采用鋼制，有些甚至采用硬質(zhì)合金制造。  

    2、模具制造：用3D建模軟件例如PRO-E將模具圖繪制出來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整達(dá)到最終的成型效果。

   3、模具用途：以傳統(tǒng)注塑、壓鑄、橡膠和沖壓等產(chǎn)品為主。

 　4、模具強(qiáng)度精度：根據(jù)用戶實(shí)際需求確認(rèn)強(qiáng)度，精度較高。  

    5、模具生產(chǎn)時(shí)間：較為快速。

     6、模具經(jīng)濟(jì)性：大批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性好，單件和小批量經(jīng)濟(jì)性差。

      3D打印技術(shù)

       1、3D打印所需材料：根據(jù)用戶實(shí)際需求考慮最適合的打印材料。

      2、3D打印成型方式：累積式，一點(diǎn)一點(diǎn)增加上去，最終打印完成作品。

      3、3D打印用途：小型復(fù)雜零件用3D打印可以輕松實(shí)現(xiàn)，大型零件，整體打印拼湊。

      4、3D打印強(qiáng)度精度：關(guān)于3D打印的強(qiáng)度和精度有很多綜合因素，3D打印機(jī)的精度，所選材料的好壞，3D模型圖的精度都決定了最終出來(lái)的產(chǎn)品精度，強(qiáng)度尚可。

      5、3D打印生產(chǎn)時(shí)間：成型時(shí)間較長(zhǎng)。

       6、3D打印經(jīng)濟(jì)性：大批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性差，單件和小批量經(jīng)濟(jì)性好。

    僅在模具生產(chǎn)周期上，3D打印技術(shù)已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)的模具制造產(chǎn)生了一定的沖擊。然而業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，盡管3D打印技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、原料便捷、制品壓力均勻等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是3D打印技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的模具制造方法，這是因?yàn)?D打印技術(shù)在生產(chǎn)制造過(guò)程中還存在一些問(wèn)題。

    比如，3D打印技術(shù)是逐層加工得到產(chǎn)品，這雖然會(huì)縮短模具的生產(chǎn)周期，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致模具表面具有臺(tái)階紋效應(yīng)。直接打印的模具也存在類(lèi)似問(wèn)題，后期需要機(jī)械加工或者噴砂來(lái)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，這些二次處理在很大程度上削弱了3D打印模具的速度優(yōu)勢(shì)。

    同時(shí)，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材料時(shí)。用金屬材質(zhì)模具生產(chǎn)幾千個(gè)零件很容易，在最終量產(chǎn)模具出來(lái)前也可作為過(guò)渡模具使用。而使用3D打印技術(shù)制造的模具材料一般是光敏或者熱固性樹(shù)脂，它們通過(guò)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。

    此外，使用3D打印模具的一大原因是其成本低。生產(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(lèi)比較。但是這個(gè)類(lèi)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(méi)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，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)零件之后仍然服役良好。因此，在生產(chǎn)成本上，3D打印并不比傳統(tǒng)的模具制造方法更能節(jié)省成本。

    另外，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，傳統(tǒng)注塑模具制造的原則及實(shí)踐已經(jīng)有超過(guò)一個(gè)世紀(jì)的歷史，行業(yè)對(duì)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(zhàn)，對(duì)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，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(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。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)?D打印模具的散熱能力不像鋁模或鋼模那么好。

    綜上，3D打印技術(shù)并不會(huì)完全取代傳統(tǒng)的模具制造業(yè)的地位。因?yàn)?D打印模具在成品質(zhì)量、產(chǎn)品成本和模具設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)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(chǎn)，生產(chǎn)1件和生產(chǎn)1萬(wàn)件的成本單價(jià)基本接近，而且3D打印需要的時(shí)間也較長(zhǎng)。目前的3D打印技術(shù)只能針對(duì)小批量生產(chǎn)周期要求緊張的模具生產(chǎn)，大批量的生產(chǎn)還是以傳統(tǒng)模具制造為主。 

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