模具被譽為 '工業之母' , 其應用可以追溯到遠古時代, 在過去的幾十年裡, 隨著科技革命車輪的滾滾向前, 模具製造行業拉開了新的篇章, 技術隨之突飛猛進, 為加工製造業做出了巨大的貢獻. 現如今, 雖然世界各地的傳統製造業還是以模具為生產主力, 但是模具的發展卻受到了3D列印技術的衝擊.
近年來, 隨著工業4.0的發展, 中國製造業從 '製造' 向 '智造' 方向的發展速度越來越迅速, 3D列印技術已在我國製造業中得到了廣泛運用, 3D印表機可為模具設計和製造提供高效, 低成本的支援. 甚至隨著3D列印技術的迅猛發展, 在部分領域, 已逐漸開始顛覆模具技術, 與之形成直接競爭關係.
據了解, 相比3D列印技術, 傳統的模具製造需要更多的步驟和工藝, 模具生產周期更長. 模具製造商推出一種新產品時, 在上市之前, 新品需通過嚴苛的國際標準和認證, 而眾多部件的認證將耗時巨大. 這會使新產品在搶佔市場的時間上處於非常不利的位置. 而3D列印注塑模具則是一種高效的解決方案. 知名廠商施耐德電氣是這麼做的, 在他們的開放性實驗室內, 利用3D列印技術製造注塑模具.
據施耐德相關人員介紹, 通常情況下, 生產一個模具需要幾個星期到兩月之久, 而使用3D列印技術可以在幾個小時內完成模具原型, 並且可以根據測試結果立即進行修改. 然後注塑出最終的產品樣品. 這些產品樣品可以直接發送認證, 而這時傳統模具製造可能仍在生產當中, 甚至在模具最後確定之前, 3D列印成品就已經通過認證, 大大縮短了開發周期.
僅在模具生產周期上, 3D列印技術已經對傳統的模具製造產生了一定的衝擊. 然而業內專家表示, 儘管3D列印技術具有生產周期短, 原料便捷, 製品壓力均勻等眾多優點, 但是3D列印技術並不能完全取代傳統的模具製造方法, 這是因為3D列印技術在生產製造過程中還存在一些問題.
比如, 3D列印技術是逐層加工得到產品, 這雖然會縮短模具的生產周期, 但同時也會導致模具表面具有台階紋效應. 直接列印的模具也存在類似問題, 後期需要機械加工或者噴砂來消除這些細小的, 齒狀的邊緣. 此外, 小於1mm的孔必須鑽, 更大的孔需要擴孔或者鑽孔, 螺紋特徵需要攻絲或者銑削, 這些二次處理在很大程度上削弱了3D列印模具的速度優勢.
同時, 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. 鋁模和鋼模通常經曆500F(260℃)甚至更高溫度環境, 尤其在加工高溫塑料, 如PEEK和PEI材料時. 用金屬材質模具生產幾千個零件很容易, 在最終量產模具出來前也可作為過渡模具使用. 而使用3D列印技術製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雷射固化. 這些塑料模具儘管比較硬, 但是在注塑的熱迴圈條件下損毀非常迅速. 事實上, 在溫和環境下3D列印模具通常在使用100次以內會失效, 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, 甚至只能生產幾個零件.
此外, 使用3D列印模具的一大原因是其成本低. 生產級別機加工模具成本一般是20000美元甚至更多, 意味著同1000美元的列印模具是同類比較. 但是這個類比並不公平, 列印模具陳本的評估通常只考慮材料消耗, 並沒有考慮人工, 裝配與安裝, 噴射系統和五金器具. 比如ProtoLabsd的鋁模具花費1500美元可以用於生產. 如果需要生產更多零件, 採用3D列印模具, 每生產50-100個產品就需要重新列印, 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10000個零件之後仍然服役良好. 因此, 在生產成本上, 3D列印並不比傳統的模具製造方法更能節省成本.
另外, 在產品設計上, 傳統注塑模具製造的原則及實踐已經有超過一個世紀的曆史, 行業對其研究比較透徹, 比如拔模斜角必須大於等於5度, 以滿足大部分鋁模要求. 3D列印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, 3D列印模具(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. 列印模具內聚合物的流動方嚮應該與3D列印線一致, 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, 但不會明顯降低列印模具的迴圈次數, 因為3D列印模具的散熱能力不像鋁模或鋼模那麼好.
綜上, 3D列印技術並不會完全取代傳統的模具製造業的地位. 因為3D列印模具在成品質量, 產品成本和模具設計上與傳統模具製造相比, 還存在一定的不足. 並且, 3D列印也不適合批量生產, 生產1件和生產1萬件的成本單價基本接近, 而且3D列印需要的時間也較長. 目前的3D列印技術只能針對小批量生產周期要求緊張的模具生產, 大批量的生產還是以傳統模具製造為主.