3D打印注塑模具–終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   351天前

快速增長(zhǎng)且競(jìng)爭(zhēng)激烈的注塑行業(yè)價(jià)值數(shù)千億美元，促使制造商尋求更高效、更低成本的方法以保持領(lǐng)先地位。3D打印也稱為增材制造，可幫助制造商比傳統(tǒng)工藝更快、更便宜地制造更好的注塑模具和工具。讓我們看看如何以及為什么。

用于創(chuàng)建零件原型的3D打印注塑模具嵌件（來源：Formlabs）

對(duì)于原型和小批量塑料零件，越來越多的制造商轉(zhuǎn)向3D打印而不是注塑成型，因?yàn)樗ǔ１葎?chuàng)建模具更便宜且更快，然后用模具來制造產(chǎn)品。但在這里，我們探討公司如何使用3D打印為傳統(tǒng)制造制造更好的工具，例如模具、沖模和模型，然后將其用于注塑成型等傳統(tǒng)制造工藝中，以生產(chǎn)原型和最終零件。3D打印與傳統(tǒng)制造的互補(bǔ)使用不斷增長(zhǎng)。

為什么選擇3D打印模具？

3D打印鞋底模具解決方案（來源：ECCO）

多年來，3D打印機(jī)通過生產(chǎn)快速、經(jīng)濟(jì)的塑料模具和獨(dú)特的金屬模具，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的設(shè)計(jì)、大規(guī)模定制并加快了生產(chǎn)時(shí)間，從而撼動(dòng)了模具制造行業(yè)。

不過，如今的模具制造通常還是一個(gè)機(jī)械加工過程。最終產(chǎn)品的三維數(shù)字模型可用于使用軟件創(chuàng)建數(shù)字模型設(shè)計(jì)，其中包括確定注塑成型工藝所需的型腔數(shù)量、澆口位置和流道系統(tǒng)。

然后使用計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備，如數(shù)控銑床和車床，按照數(shù)字設(shè)計(jì)中設(shè)定的路徑加工模具部件。熟練的工具制造商可以將數(shù)控機(jī)床加工出的毛坯部件進(jìn)行一系列更精細(xì)的加工，最后進(jìn)行拋光以保證表面質(zhì)量。這是一個(gè)多步驟的過程，需要多臺(tái)設(shè)備和機(jī)械師，可能需要幾天或幾周的時(shí)間。

樹脂3D打印可以生產(chǎn)具有精細(xì)細(xì)節(jié)的注塑模具（來源：Buster Beagle 3D）

雖然與機(jī)械加工相比，3D打印的速度取決于多個(gè)因素，包括每個(gè)流程所使用的技術(shù)類型、所生產(chǎn)零件的尺寸和復(fù)雜程度以及所使用的材料，但3D打印所需的步驟更少，可以在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)出模具，這對(duì)于產(chǎn)品原型來說尤為理想。

在本指南中，魔猴網(wǎng)將和大家深入探討塑料模具和金屬模具的制作，因?yàn)樗鼈儩M足不同的需求，具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

3D打印塑料模具的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

Addifab采用可溶解樹脂3D打印的復(fù)雜注塑模具（來源：Addifab）

塑料（或聚合物）3D打印機(jī)以及堅(jiān)韌耐高溫的材料使公司能夠在內(nèi)部制作自己的注塑模具，或從服務(wù)提供商處快速訂購。直接從3D打印機(jī)生產(chǎn)的模具可用于生產(chǎn)小批量零件（最多100個(gè)或最多10,000個(gè)以上，視材料而定），成本可比金屬模具低90%。

在需要短交貨期和低成本的情況下，塑料3D打印是首選的模具制造方法。它還廣泛用于原型制作，但僅限于模具本身和原型產(chǎn)品的制作。這使公司能夠更快地進(jìn)行測(cè)試和迭代，然后更有信心地轉(zhuǎn)用傳統(tǒng)模具進(jìn)行批量生產(chǎn)。

例如，看看百事公司是如何開發(fā)新的吹塑模具的。據(jù)百事公司研究中心全球包裝研發(fā)、高級(jí)工程和設(shè)計(jì)高級(jí)經(jīng)理Max Rodriguez稱，在百事公司位于紐約州Valhalla的研發(fā)園區(qū)為瓶子吹塑制作傳統(tǒng)金屬模具，過去意味著長(zhǎng)達(dá)四周的等待和數(shù)千美元的成本。

PepsiCo通過3D打印吹塑機(jī)的插件（如后面所示）節(jié)省了時(shí)間和金錢（來源：Nexa3D）

幾年前，Rodriguez開始使用3D打印機(jī)，通過降低原型設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本，更快地將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。當(dāng)他發(fā)現(xiàn)一種方法和材料足以滿足他的需求時(shí)，他便將這種技術(shù)用于成型工具。利用Nexa3D NXE 4003D打印技術(shù)和漢高樂泰的xPEEK147樹脂材料，羅德里格斯能夠一次性打印出多個(gè)模具零件，最終質(zhì)量只需極少的后期處理。他說，一套完整的模具可在12小時(shí)內(nèi)制作完成，其中8小時(shí)為3D打印時(shí)間，4小時(shí)為后處理或固化時(shí)間。

百事公司的3D打印模具用于生產(chǎn)約10,000個(gè)瓶子的原型。對(duì)于每年數(shù)百萬個(gè)瓶子的大規(guī)模生產(chǎn)，羅德里格斯仍然使用金屬模具，但"金屬3D打印吹塑模具是一項(xiàng)正在進(jìn)行中的工作"。

原型產(chǎn)品的原型模具

醫(yī)療設(shè)備制造商Cogmedix借助3D打印技術(shù)快速完成模具制作，為客戶提供了用于合規(guī)性和測(cè)試的3D注塑原型產(chǎn)品。這些零件不僅需要滿足其嚴(yán)格的質(zhì)量和公差標(biāo)準(zhǔn)，還需要使用最終的生產(chǎn)材料和工藝（在本例中為注塑成型）來制造，以進(jìn)行FDA產(chǎn)品驗(yàn)證和消毒測(cè)試。

Cogmedix將3D打印注塑模具原型外包給總部位于馬薩諸塞州的設(shè)計(jì)和工程公司Empire Group，該公司使用了Fortify Flux One3D打印機(jī)和專有的陶瓷纖維增強(qiáng)樹脂。

注塑成型是許多受管制產(chǎn)品（如兒童玩具和醫(yī)療器械）的認(rèn)可制造工藝，而3D打印則可能不是。

用與最終產(chǎn)品相同的設(shè)計(jì)和材料制作原型，可以大大改進(jìn)和加快原型測(cè)試過程。比利時(shí)的Addifab公司是一家專門從事注塑模具3D打印的初創(chuàng)公司。該公司為3D打印模具提供一種正在申請(qǐng)專利的樹脂材料，這種材料可承受高達(dá)2500巴的注塑壓力和450℃的熔融溫度，然后模具在12到48小時(shí)后會(huì)完全溶解在堿水溶液中。

Addifab采用可溶性樹脂3D打印注塑模具（來源：Addifab）

Wilson Sporting Goods公司最近在其大幅面Nexa3D NXE 400打印機(jī)上使用Addifab樹脂，在一個(gè)批次中生產(chǎn)了多個(gè)版本的注塑模具，用于生產(chǎn)新型棒球棒手柄。

"Wilson Sporting Goods分公司DeMarini高級(jí)創(chuàng)新和工業(yè)化經(jīng)理Glen Mason說："以前我們的機(jī)械車間需要幾個(gè)月才能完成的工作，現(xiàn)在我們的團(tuán)隊(duì)只需幾天就能完成這些設(shè)計(jì)迭代。"這有助于我們大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，使我們能夠快速、靈活地進(jìn)行設(shè)計(jì)決策"。

經(jīng)濟(jì)可行的短期注塑成型

與傳統(tǒng)的模具制造方法相比，注塑模具制造的最大成本在于制造模具。只有大量生產(chǎn)和銷售產(chǎn)品，才能收回模具生產(chǎn)成本。如果產(chǎn)品的生命周期較短或需求量較小，投資機(jī)加工模具在經(jīng)濟(jì)上可能不合算，因此可能不會(huì)生產(chǎn)產(chǎn)品。

有了速度更快、成本更低的3D打印模具，制造商可以將產(chǎn)品范圍擴(kuò)大到定制或小批量工作，而這在以前是不經(jīng)濟(jì)可行的。用于最終短批量生產(chǎn)的3D打印模具為制造商提供了靈活性，使其能夠快速、輕松地生產(chǎn)定制零件，更快地響應(yīng)客戶對(duì)新產(chǎn)品的需求。

Multiplus在Formlabs樹脂3D打印機(jī)上制作的3D打印注塑模具與該公司的Babyplast工業(yè)注塑機(jī)兼容（來源：Formlabs）

如果能用塑料模具代替金屬模具，就能最大程度地節(jié)約模具成本。這就是一個(gè)很好的例子：Multiplus是中國(guó)的一家注塑公司。該公司最近遇到了小批量生產(chǎn)需求激增的問題，由于制造硬模的復(fù)雜性和成本，傳統(tǒng)的小批量生產(chǎn)利潤(rùn)率較低。

"Multiplus首席執(zhí)行官Kevin Li說："雖然小批量生產(chǎn)并不是我們現(xiàn)在的主要業(yè)務(wù)，但這種需求正變得越來越普遍。"有些是為了設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證，但更多的是為了最終使用。這是有道理的，因?yàn)樵絹碓蕉嗟墓鞠Ｍ麥y(cè)試市場(chǎng)。

Multiplus公司轉(zhuǎn)向3D打印技術(shù)，探索適合更快地生產(chǎn)小訂單所需的廉價(jià)塑料模具的材料，并發(fā)現(xiàn)Formlabs公司的3D打印機(jī)與該公司的玻璃填充樹脂Rigid 10K樹脂非常適合他們的Babyplast工業(yè)注塑機(jī)。

設(shè)計(jì)好模具后，Multiplus可以在一天內(nèi)完成模具的打印和后處理，半小時(shí)內(nèi)完成模具組裝，然后開始注塑。該公司將每個(gè)模具的使用次數(shù)限制在100次左右，但如果訂單量較大，則可同時(shí)打印多個(gè)模具。

Humanetics在Markforged 3D打印機(jī)上用尼龍和連續(xù)碳纖維3D打印的FDM打印熱固性模具（來源：Markforged）

在另一個(gè)例子中，最大的碰撞試驗(yàn)假人制造商Humanetics向3D打印機(jī)制造商Markforged求助，以節(jié)省模具制造的時(shí)間和資金。該公司需要一種熱固性模具來取代成本高昂的外購硅膠工藝，這種模具在加熱到150oC時(shí)可以承受很大的夾緊力。Markforged使用X7 3D打印機(jī)打印的Onyx材料在大約60小時(shí)內(nèi)制作出一個(gè)模具，每個(gè)模具的成本約為240美元，而加工硅膠模具的制作時(shí)間為144小時(shí)，每個(gè)模具的成本約為1000美元。

塑料3D打印模具的優(yōu)缺點(diǎn)

塑料模具材料與技術(shù)

使用漢高和Nexa3D開發(fā)的新型xPEEK147-Black樹脂的3D打印瓶子模具（來源：Nexa3D）

3D打印中使用的塑料有多種可以承受注塑機(jī)的壓力和溫度。您選擇的材料取決于您要成型的塑料的熔化溫度、注塑機(jī)的壓力以及您打算生產(chǎn)的零件數(shù)量。

用于3D打印模具和工具的常用塑料

ABS

PETG

聚丙烯(PP)

尼龍(PA)

碳纖維尼龍

Ultem

模具樹脂

所有這些材料的耐用性都不如金屬，但可以經(jīng)受幾十到幾百次的注塑成型。對(duì)于成千上萬的零件，幾乎總是選擇金屬而不是塑料。

塑料模具的導(dǎo)熱性通常低于金屬模具，因此注塑成型零件的冷卻時(shí)間較長(zhǎng)。由PVA或水溶性樹脂制成的3D打印犧牲模具是用于研究的小批量注塑成型的新興解決方案。

塑料模具和工具的3D打印技術(shù)

雖然最經(jīng)濟(jì)的塑料模具和模具3D打印解決方案是熔融沉積成型（FDM），但這種方法會(huì)產(chǎn)生明顯的層紋。這些紋路可以通過打磨或化學(xué)處理去除。這些模具還可以通過機(jī)械加工達(dá)到更嚴(yán)格的公差要求。

樹脂3D打印是更受歡迎的技術(shù)，因?yàn)樗a(chǎn)的模具表面光潔度更高，需要的進(jìn)一步加工更少。另一種基于樹脂的3D打印技術(shù)是材料噴射技術(shù)，可以制作多種材料和顏色的模具，并具有精細(xì)的表面光潔度。選擇性激光燒結(jié)（SLS）是一種使用粉末狀聚合物材料和激光的技術(shù)，可制作出表面質(zhì)量和強(qiáng)度俱佳的模具，通常由增強(qiáng)尼龍制成。

3D打印金屬模具的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

B&J Specialty在3D Systems ProX DMP 300上打印的金屬3D打印模具（來源：3D Systems）

金屬3D打印模具使用量激增背后的驅(qū)動(dòng)因素與塑料3D打印模具的優(yōu)勢(shì)完全不同。事實(shí)上，在某些情況下，金屬3d打印模具與傳統(tǒng)金屬模具相比，成本更高，制作時(shí)間更長(zhǎng)，但它們有一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)：保形通道。

只有3D打印模具才具備的這一特性，正在模具制造行業(yè)掀起一場(chǎng)革命。

冷卻通道在金屬注塑模具中至關(guān)重要，這樣可以更快、更均勻地冷卻零件。冷卻階段占整個(gè)循環(huán)時(shí)間的70%-80%，因此在模具的整個(gè)生命周期內(nèi)縮短冷卻時(shí)間可為制造商節(jié)省大量成本。適當(dāng)?shù)睦鋮s也會(huì)影響最終產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量和機(jī)械性能。

VEM Tooling是一家位于加利福尼亞州的注塑公司，它使用傳統(tǒng)制造方式無法創(chuàng)建的內(nèi)部冷卻通道3D打印這些襯套（來源：VEM）

使用傳統(tǒng)的加工技術(shù)，冷卻通道是通過直線鉆孔的方式添加到模具中的。部件的幾何形狀越復(fù)雜，沿模具輪廓保持精確冷卻就越困難。這就使得復(fù)雜部件的傳統(tǒng)生產(chǎn)變得異常費(fèi)力和昂貴。

與傳統(tǒng)工藝相比，快速成型制造技術(shù)可以在模具內(nèi)形成彎曲的冷卻通道，使其形狀符合零件的幾何形狀，并在最需要的地方提供冷卻，從而提高零件質(zhì)量，并將冷卻時(shí)間縮短70%。

位于密歇根州大急流城的工具和加工公司Scarlett Inc.的3D打印部件總經(jīng)理Mike McLean說："金屬打印為保形冷卻帶來了新的幾何形狀，這在20年前是無法想象的。"我們可以在注塑模具表面2毫米范圍內(nèi)獲得冷卻通道"。

共形冷卻通道是在CAD軟件的模具設(shè)計(jì)步驟中添加的，該軟件可以模擬和預(yù)測(cè)通道的理想位置。但是，這一設(shè)計(jì)階段會(huì)增加新金屬模具的時(shí)間和成本。

雖然金屬3D打印通常是一個(gè)更快的過程，但也并非總是如此。根據(jù)模具或工具的復(fù)雜程度，生產(chǎn)一個(gè)最終模具可能需要幾天或幾周的時(shí)間。金屬3D打印模具的優(yōu)勢(shì)通常體現(xiàn)在零件生產(chǎn)中，而不是模具制造本身。

B&J Specialty使用Cimatron模具制造軟件設(shè)計(jì)的金屬3D打印隨形冷卻注塑模具將生產(chǎn)率提高了30%，可模擬最佳冷卻效果（來源：3D Systems）

冷卻后，復(fù)雜的幾何形狀是制造商轉(zhuǎn)向金屬3D打印模具的另一個(gè)原因。例如，輪胎制造商米其林（Michelin）和普利司通（Bridgestone）使用金屬3D打印技術(shù)制造輪胎模具，因?yàn)榕c傳統(tǒng)方法相比，他們可以更容易、更快地制造出更復(fù)雜的胎面花紋。

金屬3D打印模具的優(yōu)缺點(diǎn)

金屬模具材料與技術(shù)

3D打印輪胎模具（例如在EOS機(jī)器上打印的輪胎模具）使制造商能夠更快地獲得更復(fù)雜的設(shè)計(jì)（來源：EOS）

金屬3D打印用于創(chuàng)建最終產(chǎn)品生產(chǎn)和原型的模具。在傳統(tǒng)模具制造過程中，您向數(shù)控機(jī)床或軋機(jī)輸入的數(shù)字模型文件可用于創(chuàng)建3D打印文件，然后將其上傳到3D打印機(jī)以創(chuàng)建模具。原始文件還可以進(jìn)行改進(jìn)，以利用3D打印的獨(dú)特功能。

金屬3D打印技術(shù)（如激光粉末床熔融技術(shù)）可實(shí)現(xiàn)精細(xì)的細(xì)節(jié)，使制造商能夠跳過傳統(tǒng)模具制造過程中的幾個(gè)步驟，無需熟練的機(jī)械師。

然而，盡管3D打印可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工，但額外的機(jī)械加工仍然很常見。事實(shí)上，在同時(shí)制造聚合物和金屬模具的3D打印服務(wù)公司Protiq，一些客戶選擇制作空白金屬模具，該公司的開發(fā)、市場(chǎng)和銷售主管約翰內(nèi)斯-洛恩（Johannes Lohn）說。

"Lohn說："我們有一些客戶經(jīng)營(yíng)注塑成型服務(wù)，他們希望自己完成3D打印坯料的加工，所以找我們承包生產(chǎn)。Protiq使用激光粉末床熔融技術(shù)制造模具，材料為工具鋼1.2709，這是該公司與北歐金屬公司（Nordic Metals）合作開發(fā)的一種材料。這種材料打印后很柔軟，可以很容易地用數(shù)控機(jī)床加工。

使用西門子NX軟件開發(fā)四軸飛行器的過程包括設(shè)計(jì)聚合物模具原型，使用NX模擬隨形冷卻通道，最后使用金屬3D打印來生產(chǎn)最終模具，此處顯示了剖面圖以顯示通道（來源：西門子）

Lohn說，金屬3D打印不會(huì)取代注塑模具的機(jī)械加工，而是作為一種補(bǔ)充，促進(jìn)更快的整體生產(chǎn)。"他說："好處在于將兩種工藝的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來。"因此，Protiq擴(kuò)大了服務(wù)范圍，將數(shù)控精加工與模具制造協(xié)調(diào)起來。

另一種即將出現(xiàn)的3D打印技術(shù)稱為直接能量沉積（DED）。這種方法可以用多種金屬材料制作金屬模具。例如，可以在純銅基底上涂覆不銹鋼表層，從而兼具注塑模具所需的高導(dǎo)熱性和耐磨性。

由于金屬3D打印部件通常需要額外的加工，因此市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來越多的混合機(jī)器，它們使用相同的軟件將3D打印機(jī)和數(shù)控機(jī)床合二為一。

按照這種思路，3D打印機(jī)初創(chuàng)公司Mantle 3D專注于模具制造。該公司的TrueShape機(jī)器首先使用可擠出的工具鋼漿料3D打印金屬模具。接下來，嵌入式數(shù)控機(jī)床按照嚴(yán)格的公差對(duì)模具進(jìn)行精加工，然后在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)。

Mantle 3D 3D打印金屬模具（來源：Mantle 3D）

用于3D打印模具和工具的常見金屬

不銹鋼

工具鋼

除金屬外，還可直接3D打印各種陶瓷、砂和硅膠模具。

真空成型模具3D打印

通過打磨，最終真空模具上看不到3D打印層通道（來源：Vaquform）

桌面3D打印以及桌面真空和壓力成型機(jī)（如Mayku和Vaquform）大大加快了產(chǎn)品和包裝原型的開發(fā)速度。在工業(yè)真空成形方面，3D打印模芯提供了更大的靈活性和定制機(jī)會(huì)。

注塑成型可以直接3D打印模具，而真空澆注則不同，模具是最終產(chǎn)品的基本形狀。

與傳統(tǒng)的塑料、金屬或木材加工相比，3D打印這些模具制造形狀的優(yōu)勢(shì)在于速度快、成本低、節(jié)省材料，尤其是在內(nèi)部進(jìn)行3D打印時(shí)。此外，還有機(jī)會(huì)獲得更復(fù)雜的幾何形狀。

3D打印模芯（右），用于創(chuàng)建一系列真空模型（來源：MakerBot）

在采用新方法制造真空成型模具時(shí)，加快周轉(zhuǎn)和降低成本是主要的激勵(lì)因素。

有了碳纖維尼龍等耐熱材料，您就可以用3D打印技術(shù)打印出具有格狀填充物而非實(shí)心的真空成型模具，這樣既能產(chǎn)生各種效果，又能節(jié)省材料，而且由于3D打印不是減法工藝，因此不會(huì)造成浪費(fèi)。3D打印機(jī)可在一次構(gòu)建作業(yè)中生產(chǎn)大型部件或多個(gè)小型部件。

根據(jù)您的應(yīng)用，有必要進(jìn)行后期處理和打磨，以實(shí)現(xiàn)平滑的服務(wù)。

編譯整理：ALL3DP