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模具制造能从3D打印技术上得到哪些好处?

模具行业是一个跨度最大的行业,它与制造业的各个领域都发生关系。在现代社会,制造和模具是高度依存的,无数产品的部件都要通过模制(注射、吹塑和硅胶)或铸模(熔模、翻砂和旋压)来制造。无论什么应用,制造模具都能在提高效率和利润的同时保证质量。


图:麦士德福模具,艾邦高分子拍摄

CNC加工是在制造模具时最常用的技术。虽然它能够提供高度可靠的结果,但同时也非常昂贵和费时。所以很多模具制造企业也开始寻找更加有效的替代方式。而通过增材层制造制作模具也就成了一个更加具有吸引力的方法,特别是因为模具一般都属于小批量生产而且形状都比较复杂,很适合3D打印来完成。

目前,3D打印广泛应用于模型制作,手板和模具制作等领域。虽然贵为本世纪的前沿科技之一,但其真实面临的困境不容小觑。据业内分析,3D打印目前在许多行业存在同样的问题:首先,3D打印的成本目前还比较高;其次,同样价位上,3D打印对比传统模型精度要差很多。等到3D打印成熟和普及的时候,冲击才会形成。除了以上两大劣势,3D打印的材料实现不了其它材料--哪怕是注塑,的强度、韧性等性能。目前在应用方面,还是有很大的局限性。

一、模具制造能够从3D打印技术上得到什么好处吗?

 其实模具制造的以下几个环节是能够用到3D打印技术的:

 (1)成型(吹塑、LSRRTVEPS、注塑、纸浆模具、可溶性模芯、玻璃钢模具等等)

 (2)铸模(熔模、砂模、旋压等...)

 (3)成型(热成型,金属液压成型等...)

 (4)机械加工、装配和检验(固定夹具、移动夹具、模块化夹具等...)

 (5)机器人末端执行器(夹手)


图:金属粉末激光选区熔化(SLM)3D打印机,来源于汉邦激光科技

3D打印制造模具有许多优点:

1)模具生产周期缩短

3D打印模具缩短了整个产品开发周期,并成为驱动创新的源头。在以往,由于考虑到还需要投入大量资金制造新的模具,公司有时会选择推迟或放弃产品的设计更新。通过降低模具的生产准备时间,以及使现有的设计工具能够快速更新,3D打印使企业能够承受得起模具更加频繁的更换和改善。它能够使模具设计周期,跟得上产品设计周期的步伐。

此外,有的公司自己采购了3D打印设备以制造模具,这样就进一步加快了产品开发的速度,提高了灵活性/适应性。在战略上,它提升了供应链御防延长期限和开发停滞风险的能力,比如从供应商那里获得不合适的模具。

2)制造成本降低

如果说当下金属3D打印的成本要高于传统的金属制造工艺的成本,那么成本的削减在塑料制品领域更容易实现。

金属3D打印的模具在一些小的、不连续的系列终端产品生产上具有经济优势(因为这些产品的固定费用很难摊销),或者针对某些特定的几何形状(专门为3D打印优化的)更有经济优势。尤其是当使用的材料非常昂贵,而传统的模具制造导致材料报废率很高的情况下3D打印具有成本优势。

此外,3D打印在几个小时内制造出精确模具的能力也会对制造流程和利润产生积极的影响。尤其是当生产停机和/或模具库存十分昂贵的时候。

最后,有时经常会出现生产开始后还要修改模具的情况。3D打印的灵活性使工程师能够同时尝试无数次的迭代,并可以减少因模具设计修改引起的前期成本 

图:3D打印钛合金制品(飞而康快速制造有限公司),艾邦高分子拍摄

3)模具设计的改进为终端产品增加了更多的功能性

通常,金属3D打印的特殊冶金方式能够改善金属微观结构并能产生完全致密的打印部件,与那些锻造或铸造的材料(取决于热处理和测试方向)相比其机械和物理性能一样或更好。增材制造为工程师带来了无限的选择以改进模具的设计。当目标部件由几个子部件组成时,3D打印具有整合设计,并减少零部件数量的能力。这样就简化了产品组装过程,并减少了公差。

此外,它能够整合复杂的产品功能,使高功能性的终端产品制造速度更快、产品德缺陷更少。例如,注塑件的总体质量要受到注入材料和流经工装夹具的冷却流体之间热传递状况的影响。如果用传统技术来制造的话,引导冷却材料的通道通常是直的,从而在模制部件中产生较慢的和不均匀的冷却效果。

3D打印可以实现任意形状的冷却通道,以确保实现随形的冷却,更加优化且均匀,最终导致更高质量的零件和较低的废品率。此外,更快的除热显著减少了注塑的周期,因为一般来说冷却时间最高可占整个注塑周期的70%

4)优化工具更符合人体工学和提升最低性能

3D打印降低了验证新工具(它能够解决在制造过程中未能满足的需求)的门槛,从而能够在制造中投入更多移动夹具和固定夹具。传统上,由于重新设计和制造它们需要相当的费用和精力,所以工具的设计和相应的装置总是尽可能地使用更长的时间。随着3D打印技术的应用,企业可以随时对任何工具进行翻新,而不仅限于那些已经报废和不符合要求的工具。

由于需要很小的时间和初始成本,3D打印使得对工具进行优化以获得更好的边际性能变得更加经济。于是技术人员可以在设计的时候更多地考虑人体工学,以提高其操作舒适性、减少处理时间,以及更加方便易用易于储存。虽然这样做有可能只是减少了几秒钟的装配操作时间,但是架不住积少成多。此外优化工具设计,也可以减少零件的废品率。

5)定制模具帮助实现最终产品的定制化

更短的生产周期、制造更为复杂几何形状、以及降低最终制造成本的能力,使得企业能够制造大量的个性化工具来支持定制部件的制造。3D打印模具非常利于定制化生产,比如医疗设备和医疗行业。它能够为外科医生提供3D打印的个性化器械,如外科手术导板和工具,使他们能够改善手术效果,减少手术时间。

二、3D打印会取代模具制造业吗?

据前瞻产业研究院发布的《2015-2020年中国3D打印产业市场需求与投资潜力分析报告》,2010年时全球3D打印产业的市场规模接近13.25亿美元,2011年这一数字增长至17.14亿美元,但到2013年这一数字直接飙升至40亿美元,同比2012年的22.04亿上涨了81.49%

面对3D打印行业发展趋势,不少人担忧3D打印将直接取代模具制造业。

相比于3D打印来说,模具制造的工艺流程需要经过审图、模架加工、模芯加工、电极加工、模具零件加工、检验装备、飞模之后才能进行生产,工艺流程要复杂的多。而3D打印经过建模软件建模后,再截图“切片”给打印机读取横截图信息即可进行打印生产。

不过也有业内人士表示,在3D打印尚出于初步阶段,对于压铸模和压铸件的模具企业来说,尚未构成威胁。前瞻产业研究院分析师孙海红认为,目前的3D打印技术并不适合批量生产,3D打印生产单件模型的成本和生产上万件模具的成本基本相似,而传统模具制造企业一旦规模化生产,就能显现出优势。

而且模具制造企业的生产时间要比3D打印的生产时间要少得多。尽管模具生产的前期准备比较多,但一旦万事俱备,仅需几秒钟就可以生产出一个产品,但现阶段的3D打印机却需要3个小时乃至更长的时间才能生产出一件产品。所以,现阶段3D打印很难在批量化生产环节中取代模具制造业。

不少企业家对于3D打印替代模具制造业的问题看得更为乐观,虽然二者存在相似性,但未必一定是生死存亡的关系。未来3D打印技术成熟,反而可以为模具制造企业所用,企业利用3D打印技术生产低效益的产品,而将模具制造技术用于生产附加值高、精密制造的产品,比如航空航天器械和医疗器械,从而实现整个产业的转型升级。

文章来源于《模具工程》

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