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为什么3D打印模具还不能代替传统机加工模具?

众所周知,3D打印风靡了很久,它替代了很多传统的加工方式,让工业生产有了更多选择和更加先进。不禁很多声音就出来了,比如3D打印掀起工业4.0,3D打印引领智能制造等等。其中一种声音就声称,3D打印对需要开模具的注塑成型是个很好的代替。真的是这样吗?

诚然,3D打印给工业制造带来了很大的变化,比如3D打印手板,以前又贵,耗时又长的手板,现在来e键打印上传图档30秒报价,24小时就可以发货。速度就足以碾压传统加工方式,在这快递迭代的时代里,速度就是生命。不单速度更快,还节省了很多费用。比如有些公司已经在使用3D打印工艺制造注塑模具。不再需要花费几个月时间来等待可以用于生产的模具的制造,或者因为下游设计变化导致修改模具的大量金钱投入,或者生产层上的不确定因素。



传统机加工模具




3D打印模具

但是,目前就模具来说,3D打印模具还不能代替传统机加工模具。主要有以下几点:

表面质量:3D打印逐层加工得到零件,这会导致产品表面有台阶纹效应。直接打印的模具也存在类似问题,后期需要机加工或者喷砂来消除这些细小的、齿状的边缘。此外,小于1mm的孔必须钻,更大的孔需要扩孔或者钻孔,螺纹特征需要攻丝或者铣削。这些二次处理很大程度上削弱了3D打印模具的速度优势。

尺寸因素:如果你要设计滑板或者塑料工具箱,3D打印模具也许是毫无问题的。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。而且尽管当前的增材设备的精度很高,但是仍然没法同加工中心和EDM设备比较。后者加工的模腔精度通常达±0.003英寸(0.076 mm),零件体积高达59立方英寸,大致是3D打印零件体积的6倍。

高温环境:为保证材料流动性能良好,注塑模具需要加热到非常高的温度。铝模和钢模通常经历500F(260℃)甚至更高温度环境,尤其在加工高温塑料,如PEEK和PEI(Ultem)材料。用这些金属模具生产几千个零件很容易,在最终量产模具出来前也可作为过渡模具使用。使用SLA或者相似3D打印工艺制造的模具材料一般是光敏或者热固性树脂,它们通过紫外光或者激光固化。这些塑料模具尽管比较硬,但是在注塑的热循环条件下损毁非常迅速。事实上,在温和环境下3D打印模具通常在使用100次以内会失效,高温塑料比如聚乙烯和或苯乙烯。对玻璃填充聚碳酸酯和耐高温塑料,甚至只能生产几个零件。

比较成本:使用3D打印模具的一大原始是因为其成本低。生产级别机加工模具成本一般是几万甚至更多,意味着同几百几千块的3D打印模具是同类比较。但是这个类比并不公平,3D打印模具成本的评估通常只考虑材料消耗,并没有考虑人工、装配与安装、喷射系统和五金器具。如果需要生产更多零件?采用3D打印模具,你每生产50-100个产品就需要重新打印、装配机测试新的模具。另一方面,不考虑所使用的塑料,铝模具通常在生产10000个零件仍然服役良好。所以这样算3D打印模具也并不便宜。

产品设计:传统注塑模具制造的原则及实践已经有超过一个世纪的历史,行业对其研究比较透彻。3D打印模具却非常新。比如拔模斜角必须大于等于5度,以满足大部分铝模要求。塑料模具注塑塑料零件却面临挑战,对塑料模具顶针的数量与安装位置需要额外小心。

在增加模腔壁厚和降低压力方面,塑料模具(尤其是高注塑温度)在某种程度上更为灵活。浇口的设计也不同,应当避免使用隧道式和点状浇口。直接浇口、扇形浇口、翼形浇口应该增加到正常尺寸的3倍。

打印模具内聚合物的流动方向应该与3D打印线一致,避免粘滞和低压引起的高填充。冷却系统可在一定程度上提高模具的寿命,但不会明显降低打印模具的循环次数,因为塑料模具的散热能力不像铝模或钢模那么好。

综上所述,如果你需要模具长期使用,一旦3D打印模具验证了设计的合理性,下一步就是采用更为永久的材料制作模具,比如铝或者不锈钢,因为塑料模具主要小批量产品生产使用。当然,其实并不排除3D打印模具有可能代替传统加工模具的一天,随着3D打印技术的发展,这一天并非不可能到来。


发布时间:2017-10-25 08:10:10
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