3D打印注塑模具–終極指南

魔猴君  知識堂   364天前

快速增長且競爭激烈的注塑行業價值數千億美元，促使制造商尋求更高效、更低成本的方法以保持領先地位。3D打印也稱為增材制造，可幫助制造商比傳統工藝更快、更便宜地制造更好的注塑模具和工具。讓我們看看如何以及為什么。

用于創建零件原型的3D打印注塑模具嵌件（來源：Formlabs）

對于原型和小批量塑料零件，越來越多的制造商轉向3D打印而不是注塑成型，因為它通常比創建模具更便宜且更快，然后用模具來制造產品。但在這里，我們探討公司如何使用3D打印為傳統制造制造更好的工具，例如模具、沖模和模型，然后將其用于注塑成型等傳統制造工藝中，以生產原型和最終零件。3D打印與傳統制造的互補使用不斷增長。

為什么選擇3D打印模具？

3D打印鞋底模具解決方案（來源：ECCO）

多年來，3D打印機通過生產快速、經濟的塑料模具和獨特的金屬模具，實現了復雜的設計、大規模定制并加快了生產時間，從而撼動了模具制造行業。

不過，如今的模具制造通常還是一個機械加工過程。最終產品的三維數字模型可用于使用軟件創建數字模型設計，其中包括確定注塑成型工藝所需的型腔數量、澆口位置和流道系統。

然后使用計算機控制的設備，如數控銑床和車床，按照數字設計中設定的路徑加工模具部件。熟練的工具制造商可以將數控機床加工出的毛坯部件進行一系列更精細的加工，最后進行拋光以保證表面質量。這是一個多步驟的過程，需要多臺設備和機械師，可能需要幾天或幾周的時間。

樹脂3D打印可以生產具有精細細節的注塑模具（來源：Buster Beagle 3D）

雖然與機械加工相比，3D打印的速度取決于多個因素，包括每個流程所使用的技術類型、所生產零件的尺寸和復雜程度以及所使用的材料，但3D打印所需的步驟更少，可以在短短幾個小時內生產出模具，這對于產品原型來說尤為理想。

在本指南中，魔猴網將和大家深入探討塑料模具和金屬模具的制作，因為它們滿足不同的需求，具有不同的優點和缺點。

3D打印塑料模具的優點和缺點

Addifab采用可溶解樹脂3D打印的復雜注塑模具（來源：Addifab）

塑料（或聚合物）3D打印機以及堅韌耐高溫的材料使公司能夠在內部制作自己的注塑模具，或從服務提供商處快速訂購。直接從3D打印機生產的模具可用于生產小批量零件（最多100個或最多10,000個以上，視材料而定），成本可比金屬模具低90%。

在需要短交貨期和低成本的情況下，塑料3D打印是首選的模具制造方法。它還廣泛用于原型制作，但僅限于模具本身和原型產品的制作。這使公司能夠更快地進行測試和迭代，然后更有信心地轉用傳統模具進行批量生產。

例如，看看百事公司是如何開發新的吹塑模具的。據百事公司研究中心全球包裝研發、高級工程和設計高級經理Max Rodriguez稱，在百事公司位于紐約州Valhalla的研發園區為瓶子吹塑制作傳統金屬模具，過去意味著長達四周的等待和數千美元的成本。

PepsiCo通過3D打印吹塑機的插件（如后面所示）節省了時間和金錢（來源：Nexa3D）

幾年前，Rodriguez開始使用3D打印機，通過降低原型設計的時間和成本，更快地將新產品推向市場。當他發現一種方法和材料足以滿足他的需求時，他便將這種技術用于成型工具。利用Nexa3D NXE 4003D打印技術和漢高樂泰的xPEEK147樹脂材料，羅德里格斯能夠一次性打印出多個模具零件，最終質量只需極少的后期處理。他說，一套完整的模具可在12小時內制作完成，其中8小時為3D打印時間，4小時為后處理或固化時間。

百事公司的3D打印模具用于生產約10,000個瓶子的原型。對于每年數百萬個瓶子的大規模生產，羅德里格斯仍然使用金屬模具，但"金屬3D打印吹塑模具是一項正在進行中的工作"。

原型產品的原型模具

醫療設備制造商Cogmedix借助3D打印技術快速完成模具制作，為客戶提供了用于合規性和測試的3D注塑原型產品。這些零件不僅需要滿足其嚴格的質量和公差標準，還需要使用最終的生產材料和工藝（在本例中為注塑成型）來制造，以進行FDA產品驗證和消毒測試。

Cogmedix將3D打印注塑模具原型外包給總部位于馬薩諸塞州的設計和工程公司Empire Group，該公司使用了Fortify Flux One3D打印機和專有的陶瓷纖維增強樹脂。

注塑成型是許多受管制產品（如兒童玩具和醫療器械）的認可制造工藝，而3D打印則可能不是。

用與最終產品相同的設計和材料制作原型，可以大大改進和加快原型測試過程。比利時的Addifab公司是一家專門從事注塑模具3D打印的初創公司。該公司為3D打印模具提供一種正在申請專利的樹脂材料，這種材料可承受高達2500巴的注塑壓力和450℃的熔融溫度，然后模具在12到48小時后會完全溶解在堿水溶液中。

Addifab采用可溶性樹脂3D打印注塑模具（來源：Addifab）

Wilson Sporting Goods公司最近在其大幅面Nexa3D NXE 400打印機上使用Addifab樹脂，在一個批次中生產了多個版本的注塑模具，用于生產新型棒球棒手柄。

"Wilson Sporting Goods分公司DeMarini高級創新和工業化經理Glen Mason說："以前我們的機械車間需要幾個月才能完成的工作，現在我們的團隊只需幾天就能完成這些設計迭代。"這有助于我們大大縮短產品上市時間，使我們能夠快速、靈活地進行設計決策"。

經濟可行的短期注塑成型

與傳統的模具制造方法相比，注塑模具制造的最大成本在于制造模具。只有大量生產和銷售產品，才能收回模具生產成本。如果產品的生命周期較短或需求量較小，投資機加工模具在經濟上可能不合算，因此可能不會生產產品。

有了速度更快、成本更低的3D打印模具，制造商可以將產品范圍擴大到定制或小批量工作，而這在以前是不經濟可行的。用于最終短批量生產的3D打印模具為制造商提供了靈活性，使其能夠快速、輕松地生產定制零件，更快地響應客戶對新產品的需求。

Multiplus在Formlabs樹脂3D打印機上制作的3D打印注塑模具與該公司的Babyplast工業注塑機兼容（來源：Formlabs）

如果能用塑料模具代替金屬模具，就能最大程度地節約模具成本。這就是一個很好的例子：Multiplus是中國的一家注塑公司。該公司最近遇到了小批量生產需求激增的問題，由于制造硬模的復雜性和成本，傳統的小批量生產利潤率較低。

"Multiplus首席執行官Kevin Li說："雖然小批量生產并不是我們現在的主要業務，但這種需求正變得越來越普遍。"有些是為了設計和功能驗證，但更多的是為了最終使用。這是有道理的，因為越來越多的公司希望測試市場。

Multiplus公司轉向3D打印技術，探索適合更快地生產小訂單所需的廉價塑料模具的材料，并發現Formlabs公司的3D打印機與該公司的玻璃填充樹脂Rigid 10K樹脂非常適合他們的Babyplast工業注塑機。

設計好模具后，Multiplus可以在一天內完成模具的打印和后處理，半小時內完成模具組裝，然后開始注塑。該公司將每個模具的使用次數限制在100次左右，但如果訂單量較大，則可同時打印多個模具。

Humanetics在Markforged 3D打印機上用尼龍和連續碳纖維3D打印的FDM打印熱固性模具（來源：Markforged）

在另一個例子中，最大的碰撞試驗假人制造商Humanetics向3D打印機制造商Markforged求助，以節省模具制造的時間和資金。該公司需要一種熱固性模具來取代成本高昂的外購硅膠工藝，這種模具在加熱到150oC時可以承受很大的夾緊力。Markforged使用X7 3D打印機打印的Onyx材料在大約60小時內制作出一個模具，每個模具的成本約為240美元，而加工硅膠模具的制作時間為144小時，每個模具的成本約為1000美元。

塑料3D打印模具的優缺點

塑料模具材料與技術

使用漢高和Nexa3D開發的新型xPEEK147-Black樹脂的3D打印瓶子模具（來源：Nexa3D）

3D打印中使用的塑料有多種可以承受注塑機的壓力和溫度。您選擇的材料取決于您要成型的塑料的熔化溫度、注塑機的壓力以及您打算生產的零件數量。

用于3D打印模具和工具的常用塑料

ABS

PETG

聚丙烯(PP)

尼龍(PA)

碳纖維尼龍

Ultem

模具樹脂

所有這些材料的耐用性都不如金屬，但可以經受幾十到幾百次的注塑成型。對于成千上萬的零件，幾乎總是選擇金屬而不是塑料。

塑料模具的導熱性通常低于金屬模具，因此注塑成型零件的冷卻時間較長。由PVA或水溶性樹脂制成的3D打印犧牲模具是用于研究的小批量注塑成型的新興解決方案。

塑料模具和工具的3D打印技術

雖然最經濟的塑料模具和模具3D打印解決方案是熔融沉積成型（FDM），但這種方法會產生明顯的層紋。這些紋路可以通過打磨或化學處理去除。這些模具還可以通過機械加工達到更嚴格的公差要求。

樹脂3D打印是更受歡迎的技術，因為它生產的模具表面光潔度更高，需要的進一步加工更少。另一種基于樹脂的3D打印技術是材料噴射技術，可以制作多種材料和顏色的模具，并具有精細的表面光潔度。選擇性激光燒結（SLS）是一種使用粉末狀聚合物材料和激光的技術，可制作出表面質量和強度俱佳的模具，通常由增強尼龍制成。

3D打印金屬模具的優點和缺點

B&J Specialty在3D Systems ProX DMP 300上打印的金屬3D打印模具（來源：3D Systems）

金屬3D打印模具使用量激增背后的驅動因素與塑料3D打印模具的優勢完全不同。事實上，在某些情況下，金屬3d打印模具與傳統金屬模具相比，成本更高，制作時間更長，但它們有一個顯著的優勢：保形通道。

只有3D打印模具才具備的這一特性，正在模具制造行業掀起一場革命。

冷卻通道在金屬注塑模具中至關重要，這樣可以更快、更均勻地冷卻零件。冷卻階段占整個循環時間的70%-80%，因此在模具的整個生命周期內縮短冷卻時間可為制造商節省大量成本。適當的冷卻也會影響最終產品的尺寸精度、表面質量和機械性能。

VEM Tooling是一家位于加利福尼亞州的注塑公司，它使用傳統制造方式無法創建的內部冷卻通道3D打印這些襯套（來源：VEM）

使用傳統的加工技術，冷卻通道是通過直線鉆孔的方式添加到模具中的。部件的幾何形狀越復雜，沿模具輪廓保持精確冷卻就越困難。這就使得復雜部件的傳統生產變得異常費力和昂貴。

與傳統工藝相比，快速成型制造技術可以在模具內形成彎曲的冷卻通道，使其形狀符合零件的幾何形狀，并在最需要的地方提供冷卻，從而提高零件質量，并將冷卻時間縮短70%。

位于密歇根州大急流城的工具和加工公司Scarlett Inc.的3D打印部件總經理Mike McLean說："金屬打印為保形冷卻帶來了新的幾何形狀，這在20年前是無法想象的。"我們可以在注塑模具表面2毫米范圍內獲得冷卻通道"。

共形冷卻通道是在CAD軟件的模具設計步驟中添加的，該軟件可以模擬和預測通道的理想位置。但是，這一設計階段會增加新金屬模具的時間和成本。

雖然金屬3D打印通常是一個更快的過程，但也并非總是如此。根據模具或工具的復雜程度，生產一個最終模具可能需要幾天或幾周的時間。金屬3D打印模具的優勢通常體現在零件生產中，而不是模具制造本身。

B&J Specialty使用Cimatron模具制造軟件設計的金屬3D打印隨形冷卻注塑模具將生產率提高了30%，可模擬最佳冷卻效果（來源：3D Systems）

冷卻后，復雜的幾何形狀是制造商轉向金屬3D打印模具的另一個原因。例如，輪胎制造商米其林（Michelin）和普利司通（Bridgestone）使用金屬3D打印技術制造輪胎模具，因為與傳統方法相比，他們可以更容易、更快地制造出更復雜的胎面花紋。

金屬3D打印模具的優缺點

金屬模具材料與技術

3D打印輪胎模具（例如在EOS機器上打印的輪胎模具）使制造商能夠更快地獲得更復雜的設計（來源：EOS）

金屬3D打印用于創建最終產品生產和原型的模具。在傳統模具制造過程中，您向數控機床或軋機輸入的數字模型文件可用于創建3D打印文件，然后將其上傳到3D打印機以創建模具。原始文件還可以進行改進，以利用3D打印的獨特功能。

金屬3D打印技術（如激光粉末床熔融技術）可實現精細的細節，使制造商能夠跳過傳統模具制造過程中的幾個步驟，無需熟練的機械師。

然而，盡管3D打印可以實現精細加工，但額外的機械加工仍然很常見。事實上，在同時制造聚合物和金屬模具的3D打印服務公司Protiq，一些客戶選擇制作空白金屬模具，該公司的開發、市場和銷售主管約翰內斯-洛恩（Johannes Lohn）說。

"Lohn說："我們有一些客戶經營注塑成型服務，他們希望自己完成3D打印坯料的加工，所以找我們承包生產。Protiq使用激光粉末床熔融技術制造模具，材料為工具鋼1.2709，這是該公司與北歐金屬公司（Nordic Metals）合作開發的一種材料。這種材料打印后很柔軟，可以很容易地用數控機床加工。

使用西門子NX軟件開發四軸飛行器的過程包括設計聚合物模具原型，使用NX模擬隨形冷卻通道，最后使用金屬3D打印來生產最終模具，此處顯示了剖面圖以顯示通道（來源：西門子）

Lohn說，金屬3D打印不會取代注塑模具的機械加工，而是作為一種補充，促進更快的整體生產。"他說："好處在于將兩種工藝的優勢結合起來。"因此，Protiq擴大了服務范圍，將數控精加工與模具制造協調起來。

另一種即將出現的3D打印技術稱為直接能量沉積（DED）。這種方法可以用多種金屬材料制作金屬模具。例如，可以在純銅基底上涂覆不銹鋼表層，從而兼具注塑模具所需的高導熱性和耐磨性。

由于金屬3D打印部件通常需要額外的加工，因此市場上出現了越來越多的混合機器，它們使用相同的軟件將3D打印機和數控機床合二為一。

按照這種思路，3D打印機初創公司Mantle 3D專注于模具制造。該公司的TrueShape機器首先使用可擠出的工具鋼漿料3D打印金屬模具。接下來，嵌入式數控機床按照嚴格的公差對模具進行精加工，然后在高溫爐中進行燒結。

Mantle 3D 3D打印金屬模具（來源：Mantle 3D）

用于3D打印模具和工具的常見金屬

不銹鋼

工具鋼

除金屬外，還可直接3D打印各種陶瓷、砂和硅膠模具。

真空成型模具3D打印

通過打磨，最終真空模具上看不到3D打印層通道（來源：Vaquform）

桌面3D打印以及桌面真空和壓力成型機（如Mayku和Vaquform）大大加快了產品和包裝原型的開發速度。在工業真空成形方面，3D打印模芯提供了更大的靈活性和定制機會。

注塑成型可以直接3D打印模具，而真空澆注則不同，模具是最終產品的基本形狀。

與傳統的塑料、金屬或木材加工相比，3D打印這些模具制造形狀的優勢在于速度快、成本低、節省材料，尤其是在內部進行3D打印時。此外，還有機會獲得更復雜的幾何形狀。

3D打印模芯（右），用于創建一系列真空模型（來源：MakerBot）

在采用新方法制造真空成型模具時，加快周轉和降低成本是主要的激勵因素。

有了碳纖維尼龍等耐熱材料，您就可以用3D打印技術打印出具有格狀填充物而非實心的真空成型模具，這樣既能產生各種效果，又能節省材料，而且由于3D打印不是減法工藝，因此不會造成浪費。3D打印機可在一次構建作業中生產大型部件或多個小型部件。

根據您的應用，有必要進行后期處理和打磨，以實現平滑的服務。

編譯整理：ALL3DP