增材制造变革注塑模具制造

由新莱福 MIM (Newlife - MIM) 转载。所有权利属于原出版商；请参阅下方来源。

3D打印模具大幅削减注塑成本与时间

3D打印注塑模具可将模具成本降低80%至90%，同时在产品开发阶段实现更快的迭代与验证。

新材料和桌面打印技术正推动增材制造从原型制作走向小批量生产的实际生产工装。

增材制造在注塑模具制造过程中被证明是一种节省资金和时间的选择。

注塑成型通常受限于高昂的初始模具成本、漫长的交货期以及受限的几何灵活性。然而，研究人员在《Polymers》期刊上发表了一篇题为《将3D打印与注塑成型相结合以提高制造效率》的论文，报告称将3D打印模具整合到注塑工艺中，能够以更低的成本生产复杂几何形状。

“我们大多数人已经通过熔融沉积成型（FDM）经历过一次这种情况。当桌面打印机便宜到可以拥有时，改变的不是打印本身，而是犯错不再昂贵，所以人们选择迭代而不是争论，”Radiant Product Development（位于亚利桑那州坦佩）的创始人兼合伙人Chris Buttenob说。“打印注塑工装是下一个阶梯，也是第一个零件能用真实树脂成型的阶梯。”

成本节约有充分的记录。致力于法国塑料和复合材料创新的工业技术中心IPC，研究了3D打印模具在小批量注塑中的应用。使用Formlabs Rigid 10K树脂打印的模芯和PA12打印的软框架，他们能够注塑数千个聚丙烯零件，将金属模具的成本降低了80%至90%。

“老实说，这还是较小的数字。昂贵的错误不是工装，而是为没人见过注塑的零件切割钢材。模拟能让你接近目标，但它不能在计算机辅助设计（CAD）修改成本依然低廉时，给你一个生产树脂的零件。这就是吸引我们的地方。它将第一个注塑零件从后工装阶段拉到了设计中期，这才是它真正发挥作用的地方，”Buttenob告诉PlasticsToday。

3D打印的承诺在于，无需制造模具即可制造成品零件。塔夫茨大学材料工程师、企业家兼机械工程实践教授Mike Zimmerman表示，在模具和冲模领域，这可以大大缩短从设计到工装的路径。

“创新在于利用增材制造缩短注塑零件的开发时间。但挑战在于开发能够承受真实工装所需的温度、压力、机械载荷、尺寸要求和重复循环的可打印材料，”Zimmerman说。

3D模具和冲模的适用场景

Buttenob表示，这种方法适用于两个场景，而且它们并非同一项工作。

“第一是在开发后期，此时几何形状足够稳定可以切割工装，但没人准备好在钢材上花钱。在这种情况下，打印工装是一种审计。把优先级弄对，它会回来要求调整圆角和拔模斜度。弄错重要的事情，你只需付出打印镶件的价格，而不是钢材修改的价格。它能很好地读取填充、缩水和熔接线。至于尺寸、翘曲和周期时间，则不然，”他说。

第二是真实生产，其产量不足以让钢材工装回本。Buttenob表示，在这种情况下，比较的实际上是机加工铝、聚氨酯铸造或直接机加工零件，而打印镶件在这些方面表现相当。

无论如何，规则是一样的。打印工装不是便宜的钢工装。

“它是一种仪器，只有把它当仪器对待才有效，”Buttenob说。

陷阱在于外观，因为零件会磨损工装表面。

“所以，用户看到的任何表面都不行。但是外壳内部的结构件——那些没人会对外观进行评分的支架、隔离柱和安装座——则是公平的选择。那个零件只需要保持形状并承受载荷，”他说。

这个窗口期很窄。

“公布的试验表明，聚丙烯（PP）在180°C下大约能注塑100次，ABS在220°C下能注塑60次，但PC在260°C下注塑4次就使模具开裂。根据我们的经验，结论是高温工程树脂不行，任何玻璃填充或磨蚀性材料也不行，”Buttenob说。

创新的下一步

3D打印的作用正在演变。注塑零件过去出现在工装制造的末端。现在它可以反馈设计，Buttenob说。

Zimmerman表示，材料创新可能会改变增材工装的经济性和性能。他创立了Z-Polymers（位于马萨诸塞州洛厄尔），开发了一种名为Tullomer的增材制造材料。Tullomer基于Z-Polymers修改以创造新结构的液晶聚合物。

“行业正试图从制造的角度制造零件，使其不仅仅是原型，而是真正的制造。行业主要专注于新的打印技术来实现这一点。我创立Z-Polymers的原因是，制造历史上的创新，不仅仅是增材制造，都与新材料有关。我们有一种新材料，基本上可以推动增材制造不仅制造原型，而且制造真实的生产零件，”Zimmerman说。

Z-Polymers开发了其材料，使其不需要非常昂贵的打印机来打印。它实际上在桌面打印机上打印，使基础设施成本（资本成本）非常低。

“特别是在塑料领域，人们开发了高端聚合物[需要]定制的、通常是封闭的系统来打印聚合物。我们的在开放系统的桌面打印机上打印，”他说。

一般来说，高端打印机的成本可能在50,000美元到250,000美元之间。Zimmerman表示，Tullomer可以在2,000美元的打印机上打印，材料成本与其他高性能聚合物相当。

他说，Tullomer在原型工装、过渡工装、小批量生产、定制产品和复杂工装中很有意义。

注塑模具3D打印的良好实践

Zimmerman表示，第一步是了解你想用给定材料制造工具的哪一部分，并提前了解所需的刚度、强度、温度和尺寸稳定性。然后，选择能够满足这些要求的材料。

Buttenob指出需要记住的两个关键点：

光聚合物是绝缘体。

“Formlabs将未填充树脂的导热率放在0.25到0.35 W/m K左右，而金属在30以上，所以热量散不出去。周期时间增加，并且在整个运行过程中不断增加，这意味着第60次注塑的位置与第5次不同。在PP等半结晶树脂中，较慢的冷却会改变结晶度，结晶度会改变收缩率。因此，永远不要根据打印工装来报价生产周期，”他说。

另一点：“打印工装不会在糟糕的角落撒谎，但它会让你付出代价去发现。它迫使你采用你永远不会发货的几何形状：大圆角、额外拔模，因为刀刃和薄型芯是最先损坏的。纪律，这正是我们运行面向制造的设计（DFM）的方式，是知道哪些特征是设计意图，哪些只是工装在保护自己。更大的圆角降低了应力集中，所以在打印零件上开裂的角落在钢材上也会开裂，”Buttenob说。

他建议将注塑样品视为检查模型的样本，而不是要签字确认的零件。

“这些都不能取代模具制造商。在我们的车间，设计和工程已经并排运行，而不是接力，因为交接是意图消亡的地方。打印工装只是将这一步推得更远。它在几何形状仍可争论时，把一些物理的东西放在桌子上争论，”Buttenob说。

资讯来源

- www.plasticstoday.com (2026-08-21) - 原文：增材制造变革注塑模具制造