为什么工程师们仍坚持快速注塑成型工艺?

    真正的模具,真正的快速

快速制造公司ProtoLabs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

ProtoLabs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:

    01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。

    02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(0.076mm),零件体积高达59立方英寸,大致是3D打印零件体积的6倍。

    03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。

    04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。

    05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。

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