許多3D打印支持者聲稱，3D打印對需要開模具的注塑成型是個很好的代替。真的是這樣嗎?這里我們看看相關(guān)的支持與反對意見。 增材制造(大家所熟知的3D打印)已經(jīng)給制造業(yè)帶來了巨大影響。那些曾經(jīng)需要幾百美元、耗時幾周的手板件，現(xiàn)在可以早上設(shè)計、晚上打印，第二天早上就可以送達(dá)客戶手里。
有些公司已經(jīng)在使用3D打印工藝制造注塑模具。不再需要花費(fèi)幾個月時間來等待可以用于生產(chǎn)的模具的制造，或者因?yàn)橄掠卧O(shè)計變化導(dǎo)致修改模具的大量金錢投入，或者生產(chǎn)層上的不確定因素。不管是模具驗(yàn)證還是注塑件小批量生產(chǎn)，都可以快速3D打印模具。如果模具有問題或者需要修改設(shè)計，再打印一個并重復(fù)驗(yàn)證或生產(chǎn)就是。對嗎?
這些觀點(diǎn)有一些道理。塑料3D打印的注塑模具有點(diǎn)像我們后院的塑料棚，它比金屬棚便宜，塑料棚搭建速度很快且在低載荷下表現(xiàn)良好。但是如果積雪太多，他們將破裂成一屋的碎片。
3D打印模具有自己的一席之地，有些企業(yè)在3D打印模具的應(yīng)用上比較成功。支持者稱3D打印模具比傳統(tǒng)模具加工方式快達(dá)90%、便宜達(dá)70%。在某些情況下這可能是真實(shí)的，但是明白金屬模具相比3D打印塑料模具的優(yōu)勢/劣勢非常重要。
真正的模具，真正的快速
快速制造公司Proto Labs自從1999年已經(jīng)開始生產(chǎn)快速模具注塑零件。它提供的模具可制造工程塑料、金屬、液態(tài)硅膠(LSR)等材料的零件。模具主要使用鋁(有些情況下用鋼)材機(jī)加工得到，可加工幾個到1000個零件，發(fā)貨時間1-15天。
它的工業(yè)級3D打印服務(wù)包括光固化(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)。可打印材料包括仿聚丙烯和ABS的類熱塑性材料、工業(yè)級尼龍及金屬(如不銹鋼、鋁合金及鈦合金等)。
既然有如此大范圍加工能力，為什么不直接打印模具，而是機(jī)加工制造模具呢?
模具制造商當(dāng)警惕
Proto Labs公司工程師一直在考慮打印模具，但是在做了16年的快速模具生意，一些原因仍迫使他們堅(jiān)持可靠的快速注塑成型工藝：
1、表面質(zhì)量：3D打印逐層加工得到零件，這會導(dǎo)致產(chǎn)品表面有臺階紋效應(yīng)。直接打印的模具也存在類似問題，后期需要機(jī)加工或者噴砂來消除這些細(xì)小的、齒狀的邊緣。此外，小于1mm的孔必須鉆，更大的孔需要擴(kuò)孔或者鉆孔，螺紋特征需要攻絲或者銑削。這些二次處理很大程度上削弱了3D打印模具的速度優(yōu)勢。
2、尺寸因素：如果你要設(shè)計滑板或者塑料工具箱，3D打印模具也許是毫無問題的。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。而且盡管當(dāng)前的增材設(shè)備的精度很高，但是仍然沒法同加工中心和EDM設(shè)備比較。后者加工的模腔精度通常達(dá)±0.003英寸(0.076 mm)，零件體積高達(dá)59立方英寸，大致是3D打印零件體積的6倍。
3、高溫環(huán)境：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(Ultem)材料。用這些金屬模具生產(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。使用SLA或者相似3D打印工藝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(shí)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。
4、比較成本：使用3D打印模具的一大原始是因?yàn)槠涑杀镜汀Ｉa(chǎn)級別機(jī)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(fèi)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，你每生產(chǎn)50-100個產(chǎn)品就需要重新打印、裝配機(jī)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個零件仍然服役良好。
5、產(chǎn)品設(shè)計：傳統(tǒng)注塑模具制造的原則及實(shí)踐已經(jīng)有超過一個世紀(jì)的歷史，行業(yè)對其研究比較透徹。3D打印模具卻非常新。比如拔模斜角必須大于等于5度，以滿足大部分鋁模要求。塑料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，塑料模具(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(dāng)避免使用隧道式和點(diǎn)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?yàn)樗芰夏＞叩纳崮芰Σ幌皲X模或鋼模那么好。
時機(jī)
盡管快速鋁模具有很多優(yōu)勢，有些情況下3D打印模具仍會發(fā)揮重要作用。對于有3D打印機(jī)、且有足夠時間探索打印模具如何在注塑機(jī)上工作的廠家，也許他們認(rèn)為應(yīng)該直接打印模具。
當(dāng)然，模具設(shè)計師必須理解如何制作功能模具，模具的重新設(shè)計與制作要花費(fèi)大量成本。相關(guān)的技術(shù)人員與設(shè)備也很必要——模具噴砂的機(jī)械工人、頂針安裝、注塑機(jī)操作員等，因?yàn)檫@些參數(shù)的設(shè)置與傳統(tǒng)模具有很大的不同。
但是等等——為什么不用DMLS?為什么不直接打印金屬模具?DMLS使用激光和精密光學(xué)器件在細(xì)小金屬粉末床上逐層“畫”零件，生產(chǎn)的完全致密的商業(yè)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。有些人預(yù)測未來鋁和模具鋼材料的模具也許將直接打印，能提供超高效的隨形冷卻水道，將大量減少注塑時間，延長模具使用壽命。某種程度上，DMLS直接打印模具速度慢且昂貴，通常只用于非常小、復(fù)雜的模具，或則加工那些通過傳統(tǒng)機(jī)加工方法很難制造的模具嵌入物。
結(jié)論
總的來說，Proto Labs認(rèn)為最好使用DMLS、SLA或則其他3D打印工藝做他們擅長的事：打印零件而不模具。但是，如果滿足以下條件，3D打印注塑模具會是個可靠的替代。
1)小批量且相對簡單的零件，產(chǎn)品需要比較大的拔模角度。
2)工具與模具設(shè)計團(tuán)隊(duì)要對3D打印模具的設(shè)計原則很熟悉。
3)有加工和裝配塑料模具的人員和設(shè)備。
最終設(shè)計考慮因素。如果你需要模具長期使用，一旦3D打印模具驗(yàn)證了設(shè)計的合理性，下一步就是采用更為永久的材料制作模具，比如鋁或者不銹鋼，因?yàn)樗芰夏＞咧饕∨慨a(chǎn)品生產(chǎn)使用。由于3D打印模具和傳統(tǒng)模具的設(shè)計不同，項(xiàng)目時間和預(yù)算上要考慮一定次數(shù)的模具重設(shè)計和測試。