介紹

注塑是批量生產(chǎn)塑料零件的最常用方法。它是快速生產(chǎn)大量相同零件的理想選擇。

過(guò)去，經(jīng)常在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中使用3D打印來(lái)創(chuàng)建和驗(yàn)證原型，然后將其注塑成型。如今，打印機(jī)精度、表面光潔度和材料方面的技術(shù)發(fā)展，使3D打印機(jī)也可以直接制造模具。

本文討論了使用3D打印制造小批量注塑模具的好處，并就可能的模具配置，可用的3D打印模具材料，以及創(chuàng)建3D打印注塑模具的最佳設(shè)計(jì)方法提供了建議。

什么是注塑成型？

注射成型是通過(guò)在壓力下將熔化的材料注入模具中，來(lái)制造零件的過(guò)程。材料填充到模具的中空腔中，冷卻后便固化形成模具的形式。然后打開(kāi)模具，彈出固體零件，然后重復(fù)該過(guò)程。使該過(guò)程自動(dòng)化可以產(chǎn)生很高的生產(chǎn)率。注射成型中常用的材料是熱塑性聚合物，但是可以成型某些熱固性塑料。

與注塑成型相關(guān)的高昂的初始安裝成本，使得該技術(shù)僅在大批量生產(chǎn)時(shí)才具有成本效益。并且主要與在設(shè)計(jì)，工程和制造注塑模具方面的很高要求有關(guān)。因此，注塑通常僅用于以低成本生產(chǎn)大量相同零件。涉及幾千幾萬(wàn)，有時(shí)甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)組件的生產(chǎn)。

小批量注塑通常適用于10至100個(gè)零件。傳統(tǒng)上，由于與制造模具（注塑模具）相關(guān)的非常高的成本，這種小批量生產(chǎn)在財(cái)務(wù)上不可行。

用于生產(chǎn)大量塑料零件的工業(yè)注塑模具

為什么要使用3D打印？

重要的是要考慮模具將用于制造大量的零件。從經(jīng)驗(yàn)上看，模具需要由金屬（最常見(jiàn)的是鋁或鋼）進(jìn)行CNC加工以達(dá)到很高的公差。這些材料為重復(fù)注射，打開(kāi)和關(guān)閉模具以及在注塑過(guò)程中暴露的高溫提供了良好的耐磨性。但是，金屬模具在安裝制作階段確實(shí)需要初期的大量投資。

對(duì)于小批量成型，耐磨性不再是最關(guān)鍵的因素。某些3D打印技術(shù)（例如材料噴射和SLA）能夠以極高的精度生產(chǎn)具有出色表面光潔度的零件。當(dāng)將其與現(xiàn)代耐高溫3D打印材料結(jié)合使用并實(shí)現(xiàn)3D打印的設(shè)計(jì)自由度時(shí)，這意味著3D打印模具現(xiàn)已成為制造小批量注塑模具的可行選擇。3D打印模具還可以快速驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)，從而降低了投資昂貴的金屬模具的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

3D打印模具最適合：

快速的周轉(zhuǎn)時(shí)間（1-2周而不是5-7周）。

產(chǎn)量低（50-100個(gè)零件）的應(yīng)用。

可能發(fā)生更改或迭代的模具設(shè)計(jì)。

相對(duì)較小的零件（小于150毫米）。

3D打印模具配置

3D打印的注塑模具以兩種標(biāo)準(zhǔn)配置生產(chǎn)：

鋁制框架中的模具嵌件：這是最常見(jiàn)的3D打印模具配置，通常可生產(chǎn)更精確的零件。模具使用3D打印，然后插入剛性的鋁制框架中，以抵抗注塑噴嘴的壓力和熱量。鋁制框架還有助于防止重復(fù)使用后模具變形。

獨(dú)立模具：在這種模具配置中，模具是完全3D打印的，并且不使用剛性鋁質(zhì)支撐框架。這樣，可以將復(fù)雜的冷卻通道集成到模具中，但是使用這種方法制造的模具需要更多的3D打印材料（增加了打印成本和時(shí)間），并且在廣泛使用后更容易翹曲。

將3D打印的注塑模插入鋁制支撐架

如何設(shè)計(jì)3D打印的注塑模具

用料

3D打印材料如果滿足以下條件，則適合創(chuàng)建注塑模具：

·?耐高溫性-需要高的熱變形溫度以承受材料注入過(guò)程中施加到模具上的機(jī)械和熱負(fù)荷。注意，在固化過(guò)程中溫度會(huì)迅速下降。

·?高剛度/韌性-反復(fù)拆卸零件會(huì)導(dǎo)致模具磨損，因此需要高剛度的材料以保持模具精度。

·?高細(xì)節(jié)-注塑模具的主要要求之一是高尺寸精度和光滑的表面。高精度模具將生產(chǎn)出高精度零件。

滿足這些要求最好的3D打印技術(shù)是SLA和材料噴射。這些技術(shù)可以生產(chǎn)具有高尺寸精度的零件，是打印復(fù)雜細(xì)節(jié)和非常精細(xì)特征的理想選擇。這些技術(shù)中可用的特殊材料，例如Formlabs高溫樹(shù)脂或Stratasys Digital ABS，是模塑和加工應(yīng)用的理想選擇。與這兩種材料的注塑成型最相關(guān)的性能概述如下所示。

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，不適合使用臺(tái)式機(jī)SLA。

模具設(shè)計(jì)

描述模具特征（例如澆口，流道，通風(fēng)口等）的特定技術(shù)設(shè)計(jì)不在本文的討論范圍之內(nèi)。

這是設(shè)計(jì)3D打印模具時(shí)應(yīng)遵循的一些良好做法的列表：

·?在設(shè)計(jì)用于SLA印刷的模具時(shí)，請(qǐng)確保模具的內(nèi)表面已定向，因此沒(méi)有支撐物與它們接觸。這將提高其表面質(zhì)量，因?yàn)檫@些表面上不會(huì)出現(xiàn)支撐痕跡，從而最大程度地減少了所需的后期處理。

·?從型腔邊緣到模具邊緣的淺排氣孔（深度為0.05毫米）將有助于在成型過(guò)程中排出殘留的空氣。

·?如果要使用3D打印模具進(jìn)行20多次運(yùn)行，請(qǐng)考慮在設(shè)計(jì)中包括用于嵌入金屬棒或管的通道。這些可以幫助加固模具，減少翹曲并縮短冷卻時(shí)間。

·?在較低的層高度上進(jìn)行3D打印模具可以幫助生產(chǎn)更光滑的模制零件，因?yàn)槟＞叩目梢?jiàn)打印線會(huì)更少。

·?壓花和雕刻細(xì)節(jié)應(yīng)與表面偏移至少1毫米。

設(shè)計(jì)上的具體限制取決于所使用的注塑機(jī)。但是博型科技建議在50至80噸的成型機(jī)或手動(dòng)壓力機(jī)中使用通過(guò)材料噴射打印機(jī)制造的模具生產(chǎn)最大容積為165 cm?3的零件。

設(shè)計(jì)注塑件

與常規(guī)注塑模具一樣，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮：

·?添加最小2o度的拔模角，以幫助從模具中取出零件。

·?在整個(gè)零件上保持均勻的壁厚。

·?保持所有墻壁和特征盡可能的薄。

·?包括所有邊緣和角落的半徑。

·?包括薄的肋骨和角撐板以增加零件的強(qiáng)度，而不是增加壁厚。

注塑的拔模斜度設(shè)計(jì)

減少閃光

溢料是在注射過(guò)程中從模具的兩半之間出來(lái)的材料的名稱。當(dāng)兩個(gè)半模不能完全配合在一起，不完全齊平和平坦或模具填充過(guò)多時(shí)，通常會(huì)發(fā)生這種情況。在模具設(shè)計(jì)中使用流道，以幫助減少飛邊的可能性。

如果設(shè)計(jì)為鋁制框架，請(qǐng)?jiān)谀０灞趁嬖黾?.125mm的額外厚度，以考慮壓縮力并確保完全密封。增大虎鉗中的夾緊力還可以幫助減輕飛邊，也可以拋光模具的剖分面以使其表面盡可能平整。

良好的模具設(shè)計(jì)和平坦的模具表面可減少出現(xiàn)飛邊的可能性

釋放化合物

與傳統(tǒng)模具相比，由于3D打印注塑模具中所用材料的相對(duì)易碎性，施加過(guò)大的力以從模具中取出零件會(huì)導(dǎo)致模具快速劣化。在注射階段之前，在模腔表面上加入脫模劑可以大大有助于零件的移除。

案例研究：塑料電機(jī)配件

本案例研究將比較制造電動(dòng)機(jī)外殼的定制塑料配件。設(shè)計(jì)要求是：

·?總數(shù)為25。

·?需要高度的尺寸精度以確保緊密配合。

·?零件的重量為0.005千克（5克）。

·?該零件必須由ABS制成。

·?零件必須為黑色。

·?零件的總直徑為40毫米。

以下是可用的替代制造選項(xiàng)：

工業(yè)FDM ABS 3D打印：?工業(yè)FDM 3D打印具有很高的重復(fù)性，可以生產(chǎn)具有高尺寸精度的零件，并且可以中小批量打印零件。用于工業(yè)FDM系統(tǒng)的ABS燈絲的成本通常在每公斤500-700元左右。通過(guò)FDM 3D打印生產(chǎn)的任何零件的主要限制是其各向異性的機(jī)械性能：零件在一個(gè)方向上明顯較弱。這意味著設(shè)計(jì)人員必須掌握零件將要承受的負(fù)載以及模型在打印平臺(tái)中的方向。

使用SLA 3D打印模具注塑ABS零件：高溫SLA樹(shù)脂能夠生產(chǎn)出高精度的功能性注塑模具，最適合于小批量生產(chǎn)。SLA樹(shù)脂的零售價(jià)約為每升1000-1500。在此示例中，臺(tái)式注塑機(jī)已用于計(jì)算，并且將3D打印模具插入了鋁支撐框架中。ABS顆粒用于成型零件，成本約為15-50。

傳統(tǒng)的注塑ABS零件：傳統(tǒng)的注塑零件具有很高的精度，出色的表面光潔度和很高的可重復(fù)性。傳統(tǒng)注射成型的主要缺點(diǎn)是高的初始安裝成本以及在成型零件的設(shè)計(jì)中強(qiáng)制執(zhí)行的設(shè)計(jì)限制（草圖角度，恒定的壁厚等）。ABS顆粒的成本與上述相同。

后續(xù)步驟：如何通過(guò)注塑生產(chǎn)零件

采用3D打印模具的小批量注塑是否是您應(yīng)用的最佳解決方案？然后，有兩種方法可以使您的項(xiàng)目繼續(xù)進(jìn)行：

如果您可以使用注塑機(jī)和設(shè)計(jì)模具的專業(yè)知識(shí)，則可以選擇使用耐熱材料進(jìn)行3D打印。否則，您可以將生產(chǎn)外包給專業(yè)的注塑成型制造商。

經(jīng)驗(yàn)法則

·?3D打印注塑模具是小批量注塑最經(jīng)濟(jì)的方式。

·?材料噴射和SLA是最適合3D打印注塑模具的技術(shù)。

·?使用較寬的拔模斜度（2o度或更大）和脫模劑，以延長(zhǎng)模具的使用壽命。

·?保持零件體積小于165 cm?3

·?每個(gè)3D打印模具可以使用大約30-100次（取決于要注塑的材料）。