3D打印能否取代傳統(tǒng)模具制造？

模具被譽為“工業(yè)之母”，其應(yīng)用可以追溯到遠古時代，在過去的幾十年里，隨著科技革命車輪的滾滾向前，模具制造行業(yè)拉開了新的篇章，技術(shù)隨之突飛猛進，為加工制造業(yè)做出了巨大的貢獻。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，隨著工業(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(shè)計和制造提供高效、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，已逐漸開始顛覆模具技術(shù)，與之形成直接競爭關(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。模具制造商推出一種新產(chǎn)品時，在上市之前，新品需通過嚴苛的國際標準和認證，而眾多部件的認證將耗時巨大。這會使新產(chǎn)品在搶占市場的時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，在他們的開放性實驗室內(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)一個模具需要幾個星期到兩月之久，而使用3D打印技術(shù)可以在幾個小時內(nèi)完成模具原型，并且可以根據(jù)測試結(jié)果立即進行修改。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)送認證，而這時傳統(tǒng)模具制造可能仍在生產(chǎn)當中，甚至在模具最后確定之前，3D打印成品就已經(jīng)通過認證，大大縮短了開發(fā)周期。

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

    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)濟實惠。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，經(jīng)過不斷調(diào)整達到最終的成型效果。

   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、模具強度精度：根據(jù)用戶實際需求確認強度，精度較高。  

    5、模具生產(chǎn)時間：較為快速。

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

      3D打印技術(shù)

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

      2、3D打印成型方式：累積式，一點一點增加上去，最終打印完成作品。

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

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

      5、3D打印生產(chǎn)時間：成型時間較長。

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

    僅在模具生產(chǎn)周期上，3D打印技術(shù)已經(jīng)對傳統(tǒng)的模具制造產(chǎn)生了一定的沖擊。然而業(yè)內(nèi)專家表示，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，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，這是因為3D打印技術(shù)在生產(chǎn)制造過程中還存在一些問題。

    比如，3D打印技術(shù)是逐層加工得到產(chǎn)品，這雖然會縮短模具的生產(chǎn)周期，但同時也會導致模具表面具有臺階紋效應(yīng)。直接打印的模具也存在類似問題，后期需要機械加工或者噴砂來消除這些細小的、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，為保證材料流動性能良好，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。用金屬材質(zhì)模具生產(chǎn)幾千個零件很容易，在最終量產(chǎn)模具出來前也可作為過渡模具使用。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脂，它們通過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。事實上，在溫和環(huán)境下3D打印模具通常在使用100次以內(nèi)會失效，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，意味著同1000美元的打印模具是同類比較。但是這個類比并不公平，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)計上，傳統(tǒng)注塑模具制造的原則及實踐已經(jīng)有超過一個世紀的歷史，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)計也不同，應(yīng)當避免使用隧道式和點狀澆口。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，但不會明顯降低打印模具的循環(huán)次數(shù)，因為3D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)并不會完全取代傳統(tǒng)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(shè)計上與傳統(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)1萬件的成本單價基本接近，而且3D打印需要的時間也較長。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(tǒng)模具制造為主。 

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