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      3D打印是否為取代傳統模具制造?

      近年來(lái),隨著(zhù)工業(yè)4.0的發(fā)展,中國制造業(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)已在我國制造業(yè)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(zhù)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),與之形成直接競爭關(guān)系。

      “相比3D打印技術(shù),傳統的模具制造需要更多的步驟和工藝,模具生產(chǎn)周期更長(cháng)。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)嚴苛的國際標準和認證,而眾多部件的認證將耗時(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(chǎng)商易模塑是這么做的,在他們的開(kāi)放性實(shí)驗室內,利用3D打印技術(shù)制造注塑模具。”據國際模協(xié)秘書(shū)長(cháng)羅百輝介紹,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)內完成模具原型,并且可以根據測試結果立即進(jìn)行修改。然后注塑出zui終的產(chǎn)品樣品。這些產(chǎn)品樣品可以直接發(fā)送認證,而這時(shí)傳統模具制造可能仍在生產(chǎn)當中,甚至在模具zui后確定之前,3D打印成品就已經(jīng)通過(guò)認證,大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。僅在模具生產(chǎn)周期上,3D打印技術(shù)已經(jīng)對傳統的模具制造產(chǎn)生了一定的沖擊。

      然而業(yè)內專(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的模具制造方法,這是因為3D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 )導致模具表面具有臺階紋效應。直接打印的模具也存在類(lèi)似問(wèn)題,后期需要機械加工或者噴砂來(lái)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(yōu)勢。

      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zui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?xún)葧?huì )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(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)級別機加工模具成本一般是20000美元甚至更多,意味著(zhù)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、噴射系統和五金器具。比如ProtoLabsd的鋁模具花費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(chǎn)10000個(gè)零件之后仍然服役良好。因此,在生產(chǎn)成本上,3D打印并不比傳統的模具制造方法更能節省成本。

      另外,在產(chǎn)品設計上,傳統注塑模具制造的原則及實(shí)踐已經(jīng)有超過(guò)一個(gè)世紀的歷史,行業(yè)對其研究比較透徹,比如拔模斜角必須大于等于5度,以滿(mǎn)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(diǎn)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(dòng)方向應該與3D打印線(xiàn)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(huì )明顯降低打印模具的循環(huán)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(shù)并不會(huì )完全取代傳統的模具制造業(yè)的地位。因為3D打印模具在成品質(zhì)量、產(chǎn)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(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(cháng)。目前的3D打印技術(shù)只能針對小批量生產(chǎn)周期要求緊張的模具生產(chǎn),大批量的生產(chǎn)還是以傳統模具制造為主。

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