模具被誉为 '工业之母' , 其应用可以追溯到远古时代, 在过去的几十年里, 随着科技革命车轮的滚滚向前, 模具制造行业拉开了新的篇章, 技术随之突飞猛进, 为加工制造业做出了巨大的贡献. 现如今, 虽然世界各地的传统制造业还是以模具为生产主力, 但是模具的发展却受到了3D打印技术的冲击.
近年来, 随着工业4.0的发展, 中国制造业从 '制造' 向 '智造' 方向的发展速度越来越迅速, 3D打印技术已在我国制造业中得到了广泛运用, 3D打印机可为模具设计和制造提供高效, 低成本的支持. 甚至随着3D打印技术的迅猛发展, 在部分领域, 已逐渐开始颠覆模具技术, 与之形成直接竞争关系.
据了解, 相比3D打印技术, 传统的模具制造需要更多的步骤和工艺, 模具生产周期更长. 模具制造商推出一种新产品时, 在上市之前, 新品需通过严苛的国际标准和认证, 而众多部件的认证将耗时巨大. 这会使新产品在抢占市场的时间上处于非常不利的位置. 而3D打印注塑模具则是一种高效的解决方案. 知名厂商施耐德电气是这么做的, 在他们的开放性实验室内, 利用3D打印技术制造注塑模具.
据施耐德相关人员介绍, 通常情况下, 生产一个模具需要几个星期到两月之久, 而使用3D打印技术可以在几个小时内完成模具原型, 并且可以根据测试结果立即进行修改. 然后注塑出最终的产品样品. 这些产品样品可以直接发送认证, 而这时传统模具制造可能仍在生产当中, 甚至在模具最后确定之前, 3D打印成品就已经通过认证, 大大缩短了开发周期.
仅在模具生产周期上, 3D打印技术已经对传统的模具制造产生了一定的冲击. 然而业内专家表示, 尽管3D打印技术具有生产周期短, 原料便捷, 制品压力均匀等众多优点, 但是3D打印技术并不能完全取代传统的模具制造方法, 这是因为3D打印技术在生产制造过程中还存在一些问题.
比如, 3D打印技术是逐层加工得到产品, 这虽然会缩短模具的生产周期, 但同时也会导致模具表面具有台阶纹效应. 直接打印的模具也存在类似问题, 后期需要机械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, 这些二次处理在很大程度上削弱了3D打印模具的速度优势.
同时, 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材料时. 用金属材质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. 而使用3D打印技术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.
此外, 使用3D打印模具的一大原因是其成本低. 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, 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个零件之后仍然服役良好. 因此, 在生产成本上, 3D打印并不比传统的模具制造方法更能节省成本.
另外, 在产品设计上, 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, 比如拔模斜角必须大于等于5度, 以满足大部分铝模要求. 3D打印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. 在增加模腔壁厚和降低压力方面, 3D打印模具(尤其是高注塑温度)在某种程度上更为灵活. 浇口的设计也不同, 应当避免使用隧道式和点状浇口. 直接浇口, 扇形浇口, 翼形浇口应该增加到正常尺寸的3倍. 打印模具内聚合物的流动方向应该与3D打印线一致, 避免粘滞和低压引起的高填充. 冷却系统可在一定程度上提高模具的寿命, 但不会明显降低打印模具的循环次数, 因为3D打印模具的散热能力不像铝模或钢模那么好.
综上, 3D打印技术并不会完全取代传统的模具制造业的地位. 因为3D打印模具在成品质量, 产品成本和模具设计上与传统模具制造相比, 还存在一定的不足. 并且, 3D打印也不适合批量生产, 生产1件和生产1万件的成本单价基本接近, 而且3D打印需要的时间也较长. 目前的3D打印技术只能针对小批量生产周期要求紧张的模具生产, 大批量的生产还是以传统模具制造为主.