3D打印何時(shí)能勝過注塑成型？

魔猴君  知識(shí)堂   104天前

對(duì)于許多部件而言，3D打印比注塑成型更快、更便宜、更好，但它并不總是最好的選擇。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，而選擇它們往往取決于產(chǎn)量。

3D打印一個(gè)部件既快速又簡單，但小批量注塑成型成本過高。3D打印不需要模具或工具，您甚至不需要了解任何有關(guān)3D打印的知識(shí)就可以從3D打印服務(wù)中獲得3D打印原型。

要確定你的零件或產(chǎn)品是3D打印更好（左）還是注塑成型更好（右）并不總是一件容易的事（來源：Jawstech/Lego）

另一方面，對(duì)于數(shù)十萬或數(shù)百萬個(gè)零件而言，注塑成型是一種更有效的工藝，但在大批量生產(chǎn)中，注塑成型更具經(jīng)濟(jì)意義的確切點(diǎn)取決于多種變量，例如材料、零件復(fù)雜性和后處理。

但是除了數(shù)量之外，還有哪些其他原因讓您選擇3D打印來生產(chǎn)您的零件或產(chǎn)品呢？

讓我們看一下3D打印表現(xiàn)優(yōu)于注塑成型的情形，以及為什么，然后讓我們通過查看注塑成型的優(yōu)勢(shì)來給予其應(yīng)有的評(píng)價(jià)。

原型設(shè)計(jì)和迭代

歐萊雅原型實(shí)驗(yàn)室的Ultimaker 3D打印機(jī)幫助公司更快地響應(yīng)產(chǎn)品趨勢(shì)（來源：歐萊雅）

幾十年來，3D打印一直是原型制作的首選技術(shù)。它在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段表現(xiàn)出色，并能快速進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。根據(jù)材料的不同，一副撲克牌大小的零件可以在不到一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)打印出來，這讓工業(yè)設(shè)計(jì)師有機(jī)會(huì)更有效地測(cè)試和改進(jìn)他們的想法。

然而，注塑公司建議使用快速模具來制作原型，以便使用與最終產(chǎn)品相同的材料測(cè)試零件。不過，最近，公司正轉(zhuǎn)向3D打印。隨著更多材料的進(jìn)步，使用與最終產(chǎn)品相同的材料3D打印原型并不困難。這種材料可以是不銹鋼等金屬，也可以是碳纖維尼龍等聚合物，甚至是技術(shù)陶瓷。這些功能更強(qiáng)大的原型使公司能夠在真實(shí)情況和模擬中測(cè)試他們的設(shè)計(jì)。

一旦一家公司使用工業(yè)3D打印機(jī)以工程級(jí)材料打印出原型，許多公司就會(huì)意識(shí)到其質(zhì)量與注塑成型相當(dāng)，并選擇根據(jù)產(chǎn)量使用3D打印進(jìn)行批量生產(chǎn)。

3D打印原型的最新應(yīng)用是制作注塑模具原型。許多工業(yè)級(jí)塑料可以承受注塑機(jī)或吹塑機(jī)的幾輪（有時(shí)是數(shù)百輪），這足以在將模具設(shè)計(jì)送去金屬加工之前對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

復(fù)雜幾何形狀

3D打印可以生產(chǎn)這些可能需要組裝多個(gè)注塑件的單個(gè)部件（來源：Formlabs）

您可能聽說過3D打印可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工或注塑成型所無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀，但這究竟意味著什么呢？

3D打印可以制造具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)填充的部件，以減輕重量，并帶有相互纏繞的彎曲管，以及打印在其他部件內(nèi)部的部件。這些幾何形狀可能可以通過幾個(gè)步驟進(jìn)行加工或模制成多個(gè)部件進(jìn)行組裝，但3D打印只需一次即可完成，從而節(jié)省時(shí)間和人力。

3D打印熱交換器是通過一個(gè)流程和一個(gè)部件生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀的一個(gè)很好的例子。

通過3D打印，您還可以創(chuàng)建每個(gè)部件獨(dú)有的表面細(xì)節(jié)、標(biāo)簽或數(shù)字，無需額外的步驟。

設(shè)計(jì)注塑部件意味著您需要考慮從模具中取出部件的過程。機(jī)械脫模過程可能會(huì)使脆弱或薄壁區(qū)域變得危險(xiǎn)。您可能需要重新考慮您的設(shè)計(jì)以適應(yīng)制造方法的限制。使用3D打印，限制要少得多，但也有一些新的和獨(dú)特的限制。

3D打印的主要挑戰(zhàn)是移除支撐結(jié)構(gòu)（如果首先需要的話）并確保粉末（如果使用基于粉末的技術(shù)）可以從內(nèi)部腔體中徹底清除。不要低估移除支撐結(jié)構(gòu)所需的勞動(dòng)力。即使使用可溶性材料作為支撐，也需要額外的步驟。

大規(guī)模定制

特別是在醫(yī)療保健應(yīng)用中，例如這種3D打印支架，根據(jù)患者特定解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制制造的能力既具有功能優(yōu)勢(shì)，又具有營銷優(yōu)勢(shì)（來源：JawsTech）

當(dāng)你需要生產(chǎn)數(shù)以萬計(jì)完全相同的部件時(shí)，注塑成型通常更勝一籌。但當(dāng)個(gè)別產(chǎn)品需要定制或個(gè)性化時(shí)，3D打印顯然是最佳選擇。

例如，一批20個(gè)獎(jiǎng)杯底座中的每一件都可以個(gè)性化刻上獲獎(jiǎng)?wù)叩拿?，無需額外付費(fèi)。相比之下，注塑成型需要在每個(gè)單元上添加定制雕刻板，這會(huì)增加時(shí)間和勞動(dòng)力。

生產(chǎn)用戶個(gè)性化部件的能力，例如按訂單3D打印的鞋子，或者更常見的3D打印醫(yī)療設(shè)備，例如支架或手術(shù)器械，正在催生一個(gè)新興行業(yè)，其中包括Restor3D和ActivArmor等公司。

縮短交貨時(shí)間

丹麥3D打印眼鏡框制造商Monoqool選擇3D打印，因?yàn)樗軌蚋?jīng)濟(jì)地生產(chǎn)客戶定制產(chǎn)品，并快速響應(yīng)眼鏡的風(fēng)格趨勢(shì)（來源：Monoqool）

普遍認(rèn)為，由于3D打印完全繞過了模具制作過程，因此最終部件的交付速度更快。在大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)完成后即可生產(chǎn)部件。

但圍繞交貨時(shí)間的更大爭論與創(chuàng)新、競(jìng)爭力和市場(chǎng)份額有關(guān)。

模具的高價(jià)往往會(huì)扼殺創(chuàng)新。尚未達(dá)到最佳狀態(tài)的產(chǎn)品可能無論如何都需要投入生產(chǎn)，因?yàn)樾乱惠喣＞叩某杀咎??；蛘咧圃焐炭赡芟Ｍ匦略O(shè)計(jì)其產(chǎn)品以利用市場(chǎng)變化，但模具成本過高。

另一方面，使用3D打印產(chǎn)品的公司可以使每批產(chǎn)品的質(zhì)量略有提高。公司可以變得更加靈活，根據(jù)客戶需求進(jìn)行調(diào)整，并向市場(chǎng)推出更廣泛的產(chǎn)品。

例如，上圖所示的Monoqool眼鏡是根據(jù)訂單通過3D打印而成的，設(shè)計(jì)師可以快速響應(yīng)時(shí)尚變化，而無需管理庫存過剩。

環(huán)境可持續(xù)性

用塑料廢物進(jìn)行3D打印（來源：PrintYourCity）

如果您生產(chǎn)的是塑料產(chǎn)品，那么仍需要考慮許多環(huán)境因素并采取許多重要的可持續(xù)發(fā)展措施。

在可持續(xù)性方面，注塑成型與3D打印的比較結(jié)果相當(dāng)均等，但有一點(diǎn)可能有利于后者。

3D打印使公司能夠快速按需打印，消除或減少積壓或永遠(yuǎn)不會(huì)使用的部件。注塑成型通常有最低限度，超過這個(gè)限度后就會(huì)變得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但這些多余的部件可能會(huì)被存放在倉庫中，直到被處理掉。

其次，盡管兩種技術(shù)都可以使用再生塑料，但當(dāng)零件數(shù)量較少時(shí)，選擇可持續(xù)材料的成本障礙較少。

兩種方法都會(huì)在過程中產(chǎn)生廢物。3D打印會(huì)產(chǎn)生廢物，即打印后必須移除的支撐結(jié)構(gòu)（如果使用FDM技術(shù)）。粉末床熔融3D打印技術(shù)的廢物較少。

注塑成型也會(huì)產(chǎn)生廢料，例如從模腔中流出的熔融塑料，或模具本身的澆口、流道和澆口中的塑料。但是，您可以輕松地重新研磨、熔化和重復(fù)使用這種廢料。3D打印線材產(chǎn)生的廢料通常不會(huì)被重復(fù)使用，但粉末床熔合產(chǎn)生的剩余粉末可以重復(fù)使用。

注塑和3D打印中再生塑料的總體使用量相對(duì)較低，但隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，再生材料的質(zhì)量和可用性提高，預(yù)計(jì)這一數(shù)字將會(huì)增長。

內(nèi)部制造

由于設(shè)計(jì)復(fù)雜且產(chǎn)量小，自行車零件制造商Silca選擇3D打印這些空心鈦?zhàn)兯倨鞯跫?，而不是注塑成型（來源：Silca）

與注塑機(jī)相比，許多3D打印機(jī)價(jià)格實(shí)惠且易于使用，使任何公司都能控制生產(chǎn)方式并在內(nèi)部進(jìn)行小批量生產(chǎn)。這消除了您對(duì)服務(wù)（可能是海外服務(wù)）的依賴，并使您能夠更好地控制質(zhì)量，消除交貨時(shí)間和供應(yīng)鏈中斷的問題。

支持注塑成型的論據(jù)

Skybridge Technologies的注塑部件。

當(dāng)然，我們喜歡所有3D打印產(chǎn)品，但我們并不反對(duì)注塑成型。在許多情況下，注塑成型是理想的選擇。然而，在本文的研究過程中，我們?cè)诒容^這兩種制造方法時(shí)遇到了很多錯(cuò)誤信息和半真半假的說法，原因很簡單：我們不是在比較兩種制造方法；我們?cè)诒容^幾十種制造方法。

注塑成型包括10多種制造工藝，從熱固性注塑成型到氣體輔助注塑成型，均用于生產(chǎn)各種部件。同樣，3D打印有七種主要類型，還有更多子類別。在每種情況下將工業(yè)注塑成型與桌面FDM 3D打印進(jìn)行比較并不準(zhǔn)確。

我們認(rèn)為，無論注塑成型或3D打印類型如何，上述7點(diǎn)仍然適用。但是，其他說法則取決于您將哪種注塑成型與哪種3D打印進(jìn)行比較。

哪一個(gè)更強(qiáng)？

當(dāng)有消息稱注塑件比3D打印件更堅(jiān)固時(shí)，這可能取決于技術(shù)和材料，但不能一概而論。每種類型的3D打印都涉及層，一層粘合到下一層，而注塑件是均勻的。層可能會(huì)帶來弱點(diǎn)，但通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和正確的技術(shù)，您的3D打印件可以與注塑件一樣堅(jiān)固。對(duì)于重載部件，應(yīng)采取額外的預(yù)防措施，但我們敢說，對(duì)于大多數(shù)沒有顯著壓力或負(fù)載的應(yīng)用，3D打印將與注塑件一樣堅(jiān)固。

Desktop Health使用Flexera材料3D打印的這些假牙展示了3D打印部件上可用的表面光潔度類型（來源：Desktop Metal）

哪種表面光滑度更好？

注塑成型在表面光潔度方面更勝一籌。

打印后整理可能涉及的額外步驟可能會(huì)增加您的成本、時(shí)間和勞動(dòng)力。

顆粒狀塑料可用于注塑和3D打?。▉碓矗篢eflon）

哪一個(gè)提供更多材料選擇？

3D打印和注塑不僅有許多共同的材料，包括ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）、PP（聚丙烯）、PC（聚碳酸酯）和PA（尼龍），一些制造商還在注塑機(jī)和顆粒進(jìn)料擠出3D打印機(jī)中使用完全相同的顆粒聚合物材料。這樣，客戶就可以使用相同的材料快速獲得要注塑成型的部件原型。

然而，您可能會(huì)聽說某些材料更適合某種方法。確實(shí)，更適合注塑成型的聚合物通常具有高流速、快速冷卻和壓力下的尺寸穩(wěn)定性，而用于3D打印的聚合物通常經(jīng)過配制以促進(jìn)層粘合、控制冷卻和擠出精度。

雖然材料成本可能是在注塑成型和3D打印之間做出選擇的決定性因素，但材料選擇通常不是。

注塑顆粒原料是一種全球廣泛使用的商品，比3D打印細(xì)絲或3D打印塑料粉末便宜得多。如果將3D打印1,000個(gè)ABS支架與注塑相同的1,000個(gè)ABS支架進(jìn)行比較，僅從材料成本上比較，注塑勝出很多。然而，總成本必須考慮模具制造，以及可能從哪里運(yùn)送零件，而不是從更本地的3D打印設(shè)施或內(nèi)部制造。

注塑成型因不使用生物基材料而受到批評(píng)，但事實(shí)上它確實(shí)可以使用生物基材料。實(shí)際上，石油基材料在注塑成型中的應(yīng)用更為廣泛，但也有多種生物塑料可供選擇。

編譯整理：ALL3DP