許多3D打印支持者聲稱(chēng)，3D打印對需要開(kāi)模具的注塑成型是個(gè)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(jiàn)。 增材制造(大家所熟知的3D打印)已經(jīng)給制造業(yè)帶來(lái)了巨大影響。那些曾經(jīng)需要幾百美元、耗時(shí)幾周的手板件，現在可以早上設計、晚上打印，第二天早上就可以送達客戶(hù)手里。
有些公司已經(jīng)在使用3D打印工藝制造注塑模具。不再需要花費幾個(gè)月時(shí)間來(lái)等待可以用于生產(chǎn)的模具的制造，或者因為下游設計變化導致修改模具的大量金錢(qián)投入，或者生產(chǎn)層上的不確定因素。不管是模具驗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(wèn)題或者需要修改設計，再打印一個(gè)并重復驗證或生產(chǎn)就是。對嗎?
這些觀(guān)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打印模具的應用上比較成功。支持者稱(chēng)3D打印模具比傳統模具加工方式快達90%、便宜達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(kāi)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)材機加工得到，可加工幾個(gè)到1000個(gè)零件，發(fā)貨時(shí)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(SLS)和直接金屬激光燒結(DMLS)。可打印材料包括仿聚丙烯和ABS的類(lèi)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，而是機加工制造模具呢?
模具制造商當警惕
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(huì )導致產(chǎn)品表面有臺階紋效應。直接打印的模具也存在類(lèi)似問(wèn)題，后期需要機加工或者噴砂來(lái)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：如果你要設計滑板或者塑料工具箱，3D打印模具也許是毫無(wú)問(wèn)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。而且盡管當前的增材設備的精度很高，但是仍然沒(méi)法同加工中心和EDM設備比較。后者加工的模腔精度通常達±0.003英寸(0.076 mm)，零件體積高達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(dòng)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(gè)零件很容易，在最終量產(chǎn)模具出來(lái)前也可作為過(guò)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(shù)脂，它們通過(guò)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?xún)葧?huì )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(gè)零件。
4、比較成本：使用3D打印模具的一大原始是因為其成本低。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(zhù)同1000美元的打印模具是同類(lèi)比較。但是這個(gè)類(lèi)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(méi)有考慮人工、裝配與安裝、噴射系統和五金器具。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，你每生產(chǎn)50-100個(gè)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(gè)零件仍然服役良好。
5、產(chǎn)品設計：傳統注塑模具制造的原則及實(shí)踐已經(jīng)有超過(guò)一個(gè)世紀的歷史，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(mǎn)足大部分鋁模要求。塑料模具注塑塑料零件卻面臨挑戰，對塑料模具頂針的數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。澆口的設計也不同，應當避免使用隧道式和點(diǎn)狀澆口。直接澆口、扇形澆口、翼形澆口應該增加到正常尺寸的3倍。
打印模具內聚合物的流動(dòng)方向應該與3D打印線(xiàn)一致，避免粘滯和低壓引起的高填充。冷卻系統可在一定程度上提高模具的壽命，但不會(huì )明顯降低打印模具的循環(huán)次數，因為塑料模具的散熱能力不像鋁模或鋼模那么好。
時(shí)機
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(huì )發(fā)揮重要作用。對于有3D打印機、且有足夠時(shí)間探索打印模具如何在注塑機上工作的廠(chǎng)家，也許他們認為應該直接打印模具。
當然，模具設計師必須理解如何制作功能模具，模具的重新設計與制作要花費大量成本。相關(guān)的技術(shù)人員與設備也很必要——模具噴砂的機械工人、頂針安裝、注塑機操作員等，因為這些參數的設置與傳統模具有很大的不同。
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)器件在細小金屬粉末床上逐層“畫(huà)”零件，生產(chǎn)的完全致密的商業(yè)產(chǎn)品廣泛應用于航空、醫學(xué)領(lǐng)域。有些人預測未來(lái)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(shí)間，延長(cháng)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、復雜的模具，或則加工那些通過(guò)傳統機加工方法很難制造的模具嵌入物。
結論
總的來(lái)說(shuō)，Proto Labs認為最好使用DMLS、SLA或則其他3D打印工藝做他們擅長(cháng)的事：打印零件而不模具。但是，如果滿(mǎn)足以下條件，3D打印注塑模具會(huì )是個(gè)可靠的替代。
1)小批量且相對簡(jiǎn)單的零件，產(chǎn)品需要比較大的拔模角度。
2)工具與模具設計團隊要對3D打印模具的設計原則很熟悉。
3)有加工和裝配塑料模具的人員和設備。
最終設計考慮因素。如果你需要模具長(cháng)期使用，一旦3D打印模具驗證了設計的合理性，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，因為塑料模具主要小批量產(chǎn)品生產(chǎn)使用。由于3D打印模具和傳統模具的設計不同，項目時(shí)間和預算上要考慮一定次數的模具重設計和測試。