最好的塑料模具(终极指南：3D打印注塑模具的优缺点、案例及制作方法)

Posted 2023-05-29

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最好的塑料模具(终极指南：3D打印注塑模具的优缺点、案例及制作方法)

快速发展且竞争激烈的注塑成型行业价值数千亿美元，这促使制造商寻求更高效、成本更低的方法以保持领先地位。3D打印，也称为增材制造，可帮助这些企业比传统工艺更快、更便宜地制造更好的注塑成型模具和工具。可以说，3D打印模具正在改变模具制造行业的游戏规则。

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在本文中，我们将给大家介绍什么是3D打印注塑模具以及它的分类，并将对不同的制作方法进行介绍，然后分享多个典型的应用案例，最终再对该技术的优缺点进行总结。

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所谓注塑成型就是受热融化的塑料材料由高压射入模腔，经过冷却固化后得到注塑成型制品的方法，主要用于批量生产。而这其中的关键就是注塑模具，通过它可以方便快捷地给塑料产品提供完整的结构和精确的尺寸。

当前的模具制造，也就是我们常说的开模，通常是一个机械加工过程。其流程大致是，首先根据最终产品的数字3D模型通过软件创建数字模具，包括确定注塑成型过程中所需的型腔数量、浇口位置和流道系统。

然后使用通过CNC、铣床和车床等工具加工出模具组件。想要得到更好的注塑成品，模具往往还需要精加工，最终抛光以提高表面质量。这是一个非常繁琐的过程，一般的精密注塑模具生产周期在20-25天左右。

ECCO（爱步）多年来使用Stratasys 3D打印机制作鞋底模具，图片来自：ECCO

与机械加工相比，3D打印需要的步骤更少，完成模具和零件平均只需要六个工作日。甚至可以在最短几个小时完成模具的制造，速度快，时间短。

在本指南中，我们将重点深入探讨3D打印塑料和金属模具制造，它们能够满足不同的需求并具有不同的优点和缺点。

3D打印塑料模具

通过塑料（或聚合物）3D打印机结合坚固耐温的材料，可以使公司在内部制作自己的注塑模具或找服务商快速订购。3D打印塑料模具可用于少量零件（100个或者10,000个，具体取决于材料），并且成本比金属模具低90%。

如果预算有限，交货期短，那么塑料3D打印是首选的模具制造方法。它也广泛用于原型制作，这使公司能够更快地进行测试和迭代，然后更有信心地转向传统工具进行大规模生产。

1，使用的技术和材料

技术一：熔融沉积成型 (FDM)，这是塑料模具制作最经济的3D打印解决方案，但使用此方法会出现可见的层纹。需要通过后期打磨或化学处理去除，为了达到理想的精度，同时这些模具也可以通过机加工达到更严格的公差。

技术二：树脂3D打印，包括立体光刻 (SLA)和数字光处理 (DLP)，这些是更受欢迎的技术。因为它生产的模具具有更精细的表面光洁度，需要更少的后处理。

技术三：选择性激光烧结 (SLS) 是一种使用粉末状聚合物材料和激光的技术，可提供具有表面质量和强度的模具，通常由增强尼龙制成。

虽然3D打印中使用的塑料种类很多，但并不是所有材料都可以承受注塑机的压力和温度。材料的选择取决于要成型的塑料的熔化温度、注塑机的压力以及生产的零件数量。

其中使用最多的材料包括PETG、聚丙烯 (PP)、模具树脂、尼龙 (PA)、碳纤维尼龙等等，但它们通常只能承受数十到数百次注塑成型的周期，对于数千个零件的生产，大多数时候还是选择金属而不是塑料。

2，典型应用案例

这里以百事可乐为例，让我们一起看看它是如何开发新的吹塑模具。传统吹瓶用的金属模具昂贵且耗时，生产原型可能需要长达四周的时间；根据其复杂程度，生产一套金属工具的成本需要数千美元。

百事可乐通过3D打印制作模具嵌件，图片来自：Nexa3D

现在，百事可乐找到一种足够耐用的方法和材料来满足他的需求。通过与汉高乐泰Nexa3D公司合作，使用其xPEEK147树脂材料，结合Nexa3D NXE 400 3D打印机生产模具的镶件，再将其与传统金属模具的部件结合起来。一套完整的模具可以在12小时内制成，其中3D打印时间为8小时，后处理或固化时间为4小时。

原型模具开发时间从4周减少到48小时，除此之外，每套模具的成本可以从10,000美元降低到350美元。这些混合制造的模具可以生产10000多个瓶子，而不会出现故障，比传统的金属模具节省了高达96%的成本。

对于传统的注塑成型而言最大成本是制造模具，只有大量生产和销售产品，才能收回模具的生产成本。如果产品的生命周期短或需求低，投资机加工模具可能就没有经济意义。这时候，通过3D打印来制作模具可能是一种更佳的选择，在成本可控的范围，制造商可以将他们的产品范围扩大到以前在经济上不可行的定制或小批量生产。加上速度快，3D打印模具使制造商能够更快地响应客户对新产品的需求，用于短期产品的最终开发生产。

让我们再来看看国内的案例。迪嘉（Multiplus）是中国深圳的一家注塑成型公司，同时提供快速开模及小批量注塑服务。过去几年，小批量生产的需求激增，由于制造模具的复杂性和成本，传统上小批量生产的利润率较低。迪嘉转向3D打印，以探索适合更快地为较小订单生产更便宜的塑料模具，最终发现Formlabs的SLA 3D打印机与该公司的玻璃填充树脂材料Rigid 10K Resin非常适合他们的Babyplast工业注塑机。

迪嘉通过Formlabs制作3D打印注塑模具，图片来自：Formlabs

设计好模具后，迪嘉可以在一天内打印出模具并进行后处理，结合现有的模具金属框架，半小时内就可以组装好，然后开始注塑成型。该公司将每个模具的使用次数大约是100次，但对于更大的订单数量，可以一次3D打印多个模具。

再来看看3D打印机制造商Markforged的应用案例。为了以节省模具加工的时间和费用，全球最大的碰撞测试假人制造商Humanetics同样选择了3D打印。

Humanetics在Markforged 3D打印机上打印热固性模具，图片来自：Markforged

该公司需要一种热固性模具来取代其昂贵的外购硅胶工艺，该工艺能够在加热至150℃时承受巨大的夹紧力。Markforged使用X7 3D打印机打印和Onyx材料在大约60小时内生产出一个模具，每个模具的成本约为240美元，而机加工硅胶模具的制造时间为144小时，每个模具的成本约为1,000美元。

3，优缺点分析总结

塑料3D打印模具的优点主要体现在：比传统金属模具制作速度快得多，便宜得多；可同时打印多个模具版本；应用可选性更高，适合外包制造商选择；防止数据资料外泄，保护知识产权的内部解决方案；注塑出来的零件质量相同。

相对明显的缺点包括：塑料模具的导热性通常低于金属模具，导致注塑件的冷却时间更长；比金属模具磨损得更快；可能仍需要机加工后处理才能满足精度要求；模具尺寸有限。

3D打印金属模具

金属3D打印模具使用激增背后的驱动因素与塑料3D打印模具的优势完全不同。事实上，在某些情况下，金属3D打印模具可能比传统金属模具更昂贵且制造时间更长。它不是模具的制作更占优势，而是整个产品在使用3D打印模具来生产更具经济效益。

1，使用的技术和材料

金属3D打印可以创建用于最终产品生产和原型的模具，可以实现精细的细节，使制造商能够跳过传统模具制造过程中的多个步骤，并且不再需要熟练的机械师。

比较常见的工艺是选择性激光熔化(SLM)，这也是金属材料增材制造中的一种主要技术途径。使用该工艺虽然可以实现精细的细节，但额外的加工仍然很常见。事实上，鉴于目前的成本和加工速度，金属3D打印不会取代注塑工具的机加工，而是一种有助于加快整体生产速度的补充。

另一种3D打印技术称为直接能量沉积 (DED)，由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，熔化后逐层沉积。这种方法使多种金属材料的金属模具成为可能。例如，可以在纯铜基板上应用不锈钢顶层，以将高导热性和耐磨性结合起来，这是注塑成型工具所需的特性。

由于金属3D打印零件通常需要额外加工，因此市场上出现了越来越多的混合机器，将3D打印机和CNC机器集成到一台机器中，比如：金属3D打印初创公司Mantle推出的TrueShape机器就属于这类机型。

TrueShape技术可生产满足工具制造商苛刻要求的精密部件，图片来自：Mantle

首先使用可挤压工具钢浆3D打印金属模具。接下来，嵌入式CNC机器将模具加工成严格的公差，然后在高温炉中将其烧结。

2，典型应用案例

3D打印能够制造具有复杂保形冷却通道的模具，它正在引发模具制造行业的一场革命。冷却通道在金属注射成型工具中是必不可少的，这样零件就可以更快、更均匀地冷却。冷却阶段占整个循环时间的70%至80%，因此在模具的整个生命周期内缩短该时间可为制造商节省大量资金。适当的冷却也会影响最终产品的尺寸精度、表面质量和机械性能。

使用传统的加工技术，通过直线钻孔将冷却通道添加到模具中。部件的几何形状越复杂，沿着模具轮廓保持精确冷却就越困难，这会使复杂部件的传统生产变得异常费力和昂贵。

与传统工艺相比，3D打印可以在形状符合零件几何形状的模具内创建弯曲的冷却通道，并在最需要的地方提供冷却，以提高零件质量并将冷却时间减少多达70%。

我们接下来具体看看几个案例。首先，以普利司通为例，让我们一起看看它是如何制造真正的全季轮胎。传统上的轮胎模具是通过以所需的模式手动将条状和金属块连接到基本轮胎模具上制成的。金属碎片是使用传统的加工工具制造，因此其几何形状简单。

通过SLM Solutions的金属3D打印机制作的轮胎模具，图片来自：SLM Solutions

现在，普利司通借助德国金属3D打印机制造商SLM Solutions的SLM 机器制作3D打印金属模具，工程师可以实现以前无法实现的形状和模式。通过改变设计，提高了轮胎的牵引性能，同时不会影响轮胎的磨损寿命。

据SLM Solutions表示，已经成功打印出了最薄处厚度只有0.3mm的钢轮胎模具。不仅仅是普利司通在使用3D打印，米其林自2013年以来一直在销售使用该技术制造的轮胎。

接下来，我们再看一看国内的案例。易加三维拔罐制造商过去采用传统注塑成型的拔罐透明度较低，注塑效率不高。主要原因是通过传统CNC技术生产的拔罐模具只能加工垂直冷却通道，无法有效地冷却模具。

EP-M250 SLM 3D打印机生产的拔罐注射模，图片来自：易加三维

通过使用易加Eplus3D EP-M250 SLM 3D打印机生产复杂的保形冷却通道金属模具。最终拔罐只需16.63s即可达到喷射温度。与需要22.97秒的传统模具相比，时间减少了6秒以上，注射效率提高了约26％。

3D打印随形冷却通道的优势在很多领域的模具制造中都有体现，就拿电子烟来说，据广东模科透露：“我们近3年最多了解的PCTG的材料，特别是在电子烟上面的应用，这种产品这款材料没有3D打印技术，也许是朝着另外一个方向发展。”可见3D打印在模具行业的重要性，它真正解决了传统不能解决的难题。

3，优缺点分析总结

金属3D打印模具的优点主要体现在：与机加工模具质量相同；可以制作随形冷却通道；使用比机加工模具更少的原材料，更快的速度；可以一次打印多个模具版本；应用可选性更高，适合外包制造商选择；防止数据资料外泄，保护知识产权的内部解决方案；注塑出来的零件质量相同。

相对明显的缺点包括：与机械加工相比，可能需要更长的时间和更高的成本；所需的前期设计时间更多和技能要求更高；可能仍需要机加工后处理才能满足精度要求；模具尺寸有限。

其中使用最多的材料包括不锈钢和工具钢。

总之，与传统加工模具相比，3D打印模具的优势在于速度、成本和材料节省，同时设计更灵活。以金属3D打印模具来说，或许以前只是中大型企业才会采用，如今中小模具厂也已经在使用，该技术的普及只是时间问题。