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3D打印塑 料模具与传统机加工模具比较

作者:创始人 日期:2019-10-29 人气:11

许多3D打印支持者声称,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?这里我 们看看相关的支持与反对意见。 增材制造(大家所熟知的3D打印)已经给 制造业带来了巨大影响。那些曾 经需要几百美元、耗时几周的手板件,现在可以早上设计、晚上打印,第二天 早上就可以送达客户手里。

模具500.jpg

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。不管是 模具验证还是注塑件小批量生产,都可以快速3D打印模具。如果模 具有问题或者需要修改设计,再打印 一个并重复验证或生产就是。对吗?

 

这些观点有一些道理。塑料3D打印的 注塑模具有点像我们后院的塑料棚,它比金属棚便宜,塑料棚 搭建速度很快且在低载荷下表现良好。但是如果积雪太多,他们将 破裂成一屋的碎片。

 

3D打印模 具有自己的一席之地,有些企业在3D打印模 具的应用上比较成功。支持者称3D打印模 具比传统模具加工方式快达90%、便宜达70%。在某些 情况下这可能是真实的,但是明 白金属模具相比3D打印塑料模具的优势/劣势非常重要。

 

真正的模具,真正的快速

 

快速制造公司Proto Labs自从1999年已经 开始生产快速模具注塑零件。它提供 的模具可制造工程塑料、金属、液态硅胶(LSR)等材料的零件。模具主要使用铝(有些情况下用钢)材机加工得到,可加工几个到1000个零件,发货时间1-15天。

 

它的工业级3D打印服务包括光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和直接金属激光烧结(DMLS)。可打印 材料包括仿聚丙烯和ABS的类热塑性材料、工业级尼龙及金属(如不锈钢、铝合金及钛合金等)。

 

既然有 如此大范围加工能力,为什么 不直接打印模具,而是机 加工制造模具呢?

 

模具制造商当警惕

 

Proto Labs公司工 程师一直在考虑打印模具,但是在做了16年的快速模具生意,一些原 因仍迫使他们坚持可靠的快速注塑成型工艺:

 

1、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。

 

2、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。

 

3、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。

 

4、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20000美元甚至更多,意味着同1000美元的 打印模具是同类比较。但是这 个类比并不公平,打印模 具陈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。比如ProtoLabsd的铝模具花费1500美元可以用于生产。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。

 

5、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。

 

时机

 

尽管快 速铝模具有很多优势,有些情况下3D打印模 具仍会发挥重要作用。对于有3D打印机、且有足 够时间探索打印模具如何在注塑机上工作的厂家,也许他 们认为应该直接打印模具。

 

当然,模具设 计师必须理解如何制作功能模具,模具的 重新设计与制作要花费大量成本。相关的 技术人员与设备也很必要——模具喷砂的机械工人、顶针安装、注塑机操作员等,因为这 些参数的设置与传统模具有很大的不同。

 

但是等等——为什么不用DMLS?为什么 不直接打印金属模具?DMLS使用激 光和精密光学器件在细小金属粉末床上逐层“画”零件,生产的 完全致密的商业产品广泛应用于航空、医学领域。有些人 预测未来铝和模具钢材料的模具也许将直接打印,能提供 超高效的随形冷却水道,将大量减少注塑时间,延长模具使用寿命。某种程度上,DMLS直接打 印模具速度慢且昂贵,通常只用于非常小、复杂的模具,或则加 工那些通过传统机加工方法很难制造的模具嵌入物。

 

结论

 

总的来说,Proto Labs认为最好使用DMLS、SLA或则其他3D打印工 艺做他们擅长的事:打印零件而不模具。但是,如果满足以下条件,3D打印注 塑模具会是个可靠的替代。

 

1)小批量 且相对简单的零件,产品需 要比较大的拔模角度。

 

2)工具与 模具设计团队要对3D打印模 具的设计原则很熟悉。

 

3)有加工 和装配塑料模具的人员和设备。

 

最终设计考虑因素。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。由于3D打印模 具和传统模具的设计不同,项目时 间和预算上要考虑一定次数的模具重设计和测试。

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