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        3D打印注塑模具的優缺點、案例及制作方法

        來源:中科智能 日期:2024-03-04 14:35:49

        快速發展且競爭激烈的注塑成型行業價值數千億美元,這促使制造商尋求更高效、成本更低的方法以保持領先地位。3D打印,也稱為增材制造,可幫助這些企業比傳統工藝更快、更便宜地制造更好的注塑成型模具和工具??梢哉f,3D打印模具正在改變模具制造行業的游戲規則。

        在本文中,我們將給大家介紹什么是3D打印注塑模具以及它的分類,并將對不同的制作方法進行介紹,然后分享多個典型的應用案例,再對該技術的優缺點進行總結。

        所謂注塑成型就是受熱融化的塑料材料由高壓射入模腔,經過冷卻固化后得到注塑成型制品的方法,主要用于批量生產。而這其中的關鍵就是注塑模具,通過它可以方便快捷地給塑料產品提供完整的結構和精確的尺寸。

        當前的模具制造,也就是我們常說的開模,通常是一個機械加工過程。其流程大致是,首先根據產品的數字3D模型通過軟件創建數字模具,包括確定注塑成型過程中所需的型腔數量、澆口位置和流道系統。

        然后使用通過CNC、銑床和車床等工加工具出模具組件。想要得到更好的注塑成品,模具往往還需要精加工,拋光以提高表面質量。這是一個非常繁瑣的過程,一般的精密注塑模具生產周期在20-25天左右。


        與機械加工相比,3D打印需要的步驟更少,完成模具和零件平均只需要六個工作日。甚至可以在較短幾個小時完成模具的制造,速度快,時間短。

        在本指南中,我們將重點深入探討3D打印塑料和金屬模具制造,它們能夠滿足不同的需求并具有不同的優點和缺點。


        3D打印塑料模具

        通過塑料(或聚合物)3D打印機結合堅固耐溫的材料,可以使公司在內部制作自己的注塑模具或找服務商快速訂購。3D打印塑料模具可用于少量零件(100個或者10,000個,具體取決于材料),并且成本比金屬模具低90%。

        如果預算有限,交貨期短,那么塑料3D打印是的模具制造方法。它也廣泛用于原型制作,這使公司能夠更快地進行測試和迭代,然后更有信心地轉向傳統工具進行大規模生產。

        1,使用的技術和材料

        技術一:熔融沉積成型 (FDM),這是塑料模具制作經濟的3D打印解決方案,但使用此方法會出現可見的層紋。需要通過后期打磨或化學處理去除,為了達到理想的精度,同時這些模具也可以通過機加工達到更嚴格的公差。

        技術二:樹脂3D打印,包括立體光刻 (SLA)和數字光處理 (DLP),這些是更受歡迎的技術。因為它生產的模具具有更精細的表面光潔度,需要更少的后處理。

        技術三:選擇性激光燒結 (SLS) 是一種使用粉末狀聚合物材料和激光的技術,可提供具有表面質量和強度的模具,通常由增強尼龍制成。

        雖然3D打印中使用的塑料種類很多,但并不是所有材料都可以承受注塑機的壓力和溫度。材料的選擇取決于要成型的塑料的熔化溫度、注塑機的壓力以及生產的零件數量。

        其中使用較多的材料包括PETG、聚丙烯 (PP)、模具樹脂、尼龍 (PA)、碳纖維尼龍等等,但它們通常只能承受數十到數百次注塑成型的周期,對于數千個零件的生產,大多數時候還是選擇金屬而不是塑料。


        2,典型應用案例

        這里以百事可樂為例,讓我們一起看看它是如何開發新的吹塑模具。傳統吹瓶用的金屬模具昂貴且耗時,生產原型可能需要長達四周的時間;根據其復雜程度,生產一套金屬工具的成本需要數千美元。

        現在,百事可樂找到一種足夠耐用的方法和材料來滿足他的需求。通過與漢高樂泰Nexa3D公司合作,使用其xPEEK147樹脂材料,結合Nexa3D NXE 400 3D打印機生產模具的鑲件,再將其與傳統金屬模具的部件結合起來。一套完整的模具可以在12小時內制成,其中3D打印時間為8小時,后處理或固化時間為4小時。

        原型模具開發時間從4周減少到48小時,除此之外,每套模具的成本可以從10,000美元降低到350美元。這些混合制造的模具可以生產10000多個瓶子,而不會出現故障,比傳統的金屬模具節省了高達96%的成本。

        對于傳統的注塑成型而言成本是制造模具,只有大量生產和銷售產品,才能收回模具的生產成本。如果產品的生命周期短或需求低,投資機加工模具可能就沒有經濟意義。這時候,通過3D打印來制作模具可能是一種更佳的選擇,在成本可控的范圍,制造商可以將他們的產品范圍擴大到以前在經濟上不可行的定制或小批量生產。加上速度快,3D打印模具使制造商能夠更快地響應客戶對新產品的需求,用于短期產品的最終開發生產。

        讓我們再來看看國內的案例。迪嘉(Multiplus)是中國深圳的一家注塑成型公司,同時提供快速開模及小批量注塑服務。過去幾年,小批量生產的需求激增,由于制造模具的復雜性和成本,傳統上小批量生產的利潤率較低。迪嘉轉向3D打印,以探索適合更快地為較小訂單生產更便宜的塑料模具,最終發現Formlabs的SLA 3D打印機與該公司的玻璃填充樹脂材料Rigid 10K Resin非常適合他們的Babyplast工業注塑機。

        設計好模具后,迪嘉可以在一天內打印出模具并進行后處理,結合現有的模具金屬框架,半小時內就可以組裝好,然后開始注塑成型。該公司將每個模具的使用次數大約是100次,但對于更大的訂單數量,可以一次3D打印多個模具。

        再來看看3D打印機制造商Markforged的應用案例。為了以節省模具加工的時間和費用,全球較大的碰撞測試假人制造商Humanetics同樣選擇了3D打印。

        該公司需要一種熱固性模具來取代其昂貴的外購硅膠工藝,該工藝能夠在加熱至150℃時承受巨大的夾緊力。Markforged使用X7 3D打印機打印和Onyx材料在大約60小時內生產出一個模具,每個模具的成本約為240美元,而機加工硅膠模具的制造時間為144小時,每個模具的成本約為1,000美元。


        3,優缺點分析總結

        塑料3D打印模具的優點主要體現在:比傳統金屬模具制作速度快得多,便宜得多;可同時打印多個模具版本;應用可選項更高,適合外包制造商選擇;防止數據資料外泄,保護知識產權的內部解決方案;注塑出來的零件質量相同。

        相對明顯的缺點包括:塑料模具的導熱性通常低于金屬模具,導致注塑件的冷卻時間更長;比金屬模具磨損得更快;可能仍需要機加工后處理才能滿足精度要求;模具尺寸有限。


        3D打印金屬模具

        金屬3D打印模具使用激增背后的驅動因素與塑料3D打印模具的優勢完全不同。事實上,在某些情況下,金屬3D打印模具可能比傳統金屬模具更昂貴且制造時間更長。它不是模具的制作更占優勢,而是整個產品在使用3D打印模具來生產更具經濟效益。


        1,使用的技術和材料

        金屬3D打印可以創建用于最終產品生產和原型的模具,可以實現精細的細節,使制造商能夠跳過傳統模具制造過程中的多個步驟,并且不再需要熟練的機械師。

        比較常見的工藝是選擇性激光熔化(SLM),這也是金屬材料增材制造中的一種主要技術途徑。使用該工藝雖然可以實現精細的細節,但額外的加工仍然很常見。事實上,鑒于目前的成本和加工速度,金屬3D打印不會取代注塑工具的機加工,而是一種有助于加快整體生產速度的補充。

        另一種3D打印技術稱為直接能量沉積 (DED),由激光在沉積區域產生熔池并高速移動,材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區,熔化后逐層沉積。這種方法使多種金屬材料的金屬模具成為可能。例如,可以在純銅基板上應用不銹鋼頂層,以將高導熱性和耐磨性結合起來,這是注塑成型工具所需的特性。

        由于金屬3D打印零件通常需要額外加工,因此市場上出現了越來越多的混合機器,將3D打印機和CNC機器集成到一臺機器中,比如:金屬3D打印初創公司Mantle推出的TrueShape機器就屬于這類機型。

        首先使用可擠壓工具鋼漿3D打印金屬模具。接下來,嵌入式CNC機器將模具加工成嚴格的公差,然后在高溫爐中將其燒結。


        2,典型應用案例

        3D打印能夠制造具有復雜保形冷卻通道的模具,它正在引發模具制造行業的一場革命。冷卻通道在金屬注射成型工具中是必不可少的,這樣零件就可以更快、更均勻地冷卻。冷卻階段占整個循環時間的70%至80%,因此在模具的整個生命周期內縮短該時間可為制造商節省大量資金。適當的冷卻也會影響最終產品的尺寸精度、表面質量和機械性能。

        使用傳統的加工技術,通過直線鉆孔將冷卻通道添加到模具中。部件的幾何形狀越復雜,沿著模具輪廓保持精確冷卻就越困難,這會使復雜部件的傳統生產變得異常費力和昂貴。

        與傳統工藝相比,3D打印可以在形狀符合零件幾何形狀的模具內創建彎曲的冷卻通道,并在需要的地方提供冷卻,以提高零件質量并將冷卻時間減少多達70%。

        我們接下來具體看看幾個案例。首先,以普利司通為例,讓我們一起看看它是如何制造真正的全季輪胎。傳統上的輪胎模具是通過以所需的模式手動將條狀和金屬塊連接到基本輪胎模具上制成的。金屬碎片是使用傳統的加工工具制造,因此其幾何形狀簡單。

        現在,普利司通借助德國金屬3D打印機制造商SLM Solutions的SLM 機器制作3D打印金屬模具,工程師可以實現以前無法實現的形狀和模式。通過改變設計,提高了輪胎的牽引性能,同時不會影響輪胎的磨損壽命。

        據SLM Solutions表示,已經成功打印出了薄處厚度只有0.3mm的鋼輪胎模具。不僅僅是普利司通在使用3D打印,米其林自2013年以來一直在銷售使用該技術制造的輪胎。

        接下來,我們再看一看國內的案例。易加三維拔罐制造商過去采用傳統注塑成型的拔罐透明度較低,注塑效率不高。主要原因是通過傳統CNC技術生產的拔罐模具只能加工垂直冷卻通道,無法有效地冷卻模具。

        通過使用易加Eplus3D EP-M250 SLM 3D打印機生產復雜的保形冷卻通道金屬模具。最終拔罐只需16.63s即可達到噴射溫度。與需要22.97秒的傳統模具相比,時間減少了6秒以上,注射效率提高了約26%。

        3D打印隨形冷卻通道的優勢在很多領域的模具制造中都有體現,就拿電子煙來說,據廣東??仆嘎叮骸拔覀兘?年多了解的PCTG的材料,特別是在電子煙上面的應用,這種產品這款材料沒有3D打印技術,也許是朝著另外一個方向發展?!笨梢?D打印在模具行業的重要性,它真正解決了傳統不能解決的難題。


        3,優缺點分析總結

        金屬3D打印模具的優點主要體現在:與機加工模具質量相同;可以制作隨形冷卻通道;使用比機加工模具更少的原材料,更快的速度;可以一次打印多個模具版本;應用可選項更高,適合外包制造商選擇;防止數據資料外泄,保護知識產權的內部解決方案;注塑出來的零件質量相同。

        相對明顯的缺點包括:與機械加工相比,可能需要更長的時間和更高的成本;所需的前期設計時間更多和技能要求更高;可能仍需要機加工后處理才能滿足精度要求;模具尺寸有限。

        其中使用多的材料包括不銹鋼和工具鋼。

        總之,與傳統加工模具相比,3D打印模具的優勢在于速度、成本和材料節省,同時設計更靈活。以金屬3D打印模具來說,或許以前只是中大型企業才會采用,如今中小模具廠也已經在使用,該技術的普及只是時間問題。


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