快速發(fā)展且競(jìng)爭(zhēng)激烈的注塑成型行業(yè)價(jià)值數(shù)千億美元，這促使制造商尋求更高效、成本更低的方法以保持領(lǐng)先地位。3D打印，也稱(chēng)為增材制造，可幫助這些企業(yè)比傳統(tǒng)工藝更快、更便宜地制造更好的注塑成型模具和工具。可以說(shuō)，3D打印模具正在改變模具制造行業(yè)的游戲規(guī)則。

在本文中，我們將給大家介紹什么是3D打印注塑模具以及它的分類(lèi)，并將對(duì)不同的制作方法進(jìn)行介紹，然后分享多個(gè)典型的應(yīng)用案例，再對(duì)該技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

所謂注塑成型就是受熱融化的塑料材料由高壓射入模腔，經(jīng)過(guò)冷卻固化后得到注塑成型制品的方法，主要用于批量生產(chǎn)。而這其中的關(guān)鍵就是注塑模具，通過(guò)它可以方便快捷地給塑料產(chǎn)品提供完整的結(jié)構(gòu)和精確的尺寸。

當(dāng)前的模具制造，也就是我們常說(shuō)的開(kāi)模，通常是一個(gè)機(jī)械加工過(guò)程。其流程大致是，首先根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)字3D模型通過(guò)軟件創(chuàng)建數(shù)字模具，包括確定注塑成型過(guò)程中所需的型腔數(shù)量、澆口位置和流道系統(tǒng)。

然后使用通過(guò)CNC、銑床和車(chē)床等工加工具出模具組件。想要得到更好的注塑成品，模具往往還需要精加工，拋光以提高表面質(zhì)量。這是一個(gè)非常繁瑣的過(guò)程，一般的精密注塑模具生產(chǎn)周期在20-25天左右。

與機(jī)械加工相比，3D打印需要的步驟更少，完成模具和零件平均只需要六個(gè)工作日。甚至可以在較短幾個(gè)小時(shí)完成模具的制造，速度快，時(shí)間短。

在本指南中，我們將重點(diǎn)深入探討3D打印塑料和金屬模具制造，它們能夠滿(mǎn)足不同的需求并具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

3D打印塑料模具

通過(guò)塑料（或聚合物）3D打印機(jī)結(jié)合堅(jiān)固耐溫的材料，可以使公司在內(nèi)部制作自己的注塑模具或找服務(wù)商快速訂購(gòu)。3D打印塑料模具可用于少量零件（100個(gè)或者10,000個(gè)，具體取決于材料），并且成本比金屬模具低90%。

如果預(yù)算有限，交貨期短，那么塑料3D打印是的模具制造方法。它也廣泛用于原型制作，這使公司能夠更快地進(jìn)行測(cè)試和迭代，然后更有信心地轉(zhuǎn)向傳統(tǒng)工具進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

1，使用的技術(shù)和材料

技術(shù)一：熔融沉積成型 (FDM)，這是塑料模具制作經(jīng)濟(jì)的3D打印解決方案，但使用此方法會(huì)出現(xiàn)可見(jiàn)的層紋。需要通過(guò)后期打磨或化學(xué)處理去除，為了達(dá)到理想的精度，同時(shí)這些模具也可以通過(guò)機(jī)加工達(dá)到更嚴(yán)格的公差。

技術(shù)二：樹(shù)脂3D打印，包括立體光刻 (SLA)和數(shù)字光處理 (DLP)，這些是更受歡迎的技術(shù)。因?yàn)樗a(chǎn)的模具具有更精細(xì)的表面光潔度，需要更少的后處理。

技術(shù)三：選擇性激光燒結(jié) (SLS) 是一種使用粉末狀聚合物材料和激光的技術(shù)，可提供具有表面質(zhì)量和強(qiáng)度的模具，通常由增強(qiáng)尼龍制成。

雖然3D打印中使用的塑料種類(lèi)很多，但并不是所有材料都可以承受注塑機(jī)的壓力和溫度。材料的選擇取決于要成型的塑料的熔化溫度、注塑機(jī)的壓力以及生產(chǎn)的零件數(shù)量。

其中使用較多的材料包括PETG、聚丙烯 (PP)、模具樹(shù)脂、尼龍 (PA)、碳纖維尼龍等等，但它們通常只能承受數(shù)十到數(shù)百次注塑成型的周期，對(duì)于數(shù)千個(gè)零件的生產(chǎn)，大多數(shù)時(shí)候還是選擇金屬而不是塑料。

2，典型應(yīng)用案例

這里以百事可樂(lè)為例，讓我們一起看看它是如何開(kāi)發(fā)新的吹塑模具。傳統(tǒng)吹瓶用的金屬模具昂貴且耗時(shí)，生產(chǎn)原型可能需要長(zhǎng)達(dá)四周的時(shí)間；根據(jù)其復(fù)雜程度，生產(chǎn)一套金屬工具的成本需要數(shù)千美元。

現(xiàn)在，百事可樂(lè)找到一種足夠耐用的方法和材料來(lái)滿(mǎn)足他的需求。通過(guò)與漢高樂(lè)泰Nexa3D公司合作，使用其xPEEK147樹(shù)脂材料，結(jié)合Nexa3D NXE 400 3D打印機(jī)生產(chǎn)模具的鑲件，再將其與傳統(tǒng)金屬模具的部件結(jié)合起來(lái)。一套完整的模具可以在12小時(shí)內(nèi)制成，其中3D打印時(shí)間為8小時(shí)，后處理或固化時(shí)間為4小時(shí)。

原型模具開(kāi)發(fā)時(shí)間從4周減少到48小時(shí)，除此之外，每套模具的成本可以從10,000美元降低到350美元。這些混合制造的模具可以生產(chǎn)10000多個(gè)瓶子，而不會(huì)出現(xiàn)故障，比傳統(tǒng)的金屬模具節(jié)省了高達(dá)96%的成本。

對(duì)于傳統(tǒng)的注塑成型而言成本是制造模具，只有大量生產(chǎn)和銷(xiāo)售產(chǎn)品，才能收回模具的生產(chǎn)成本。如果產(chǎn)品的生命周期短或需求低，投資機(jī)加工模具可能就沒(méi)有經(jīng)濟(jì)意義。這時(shí)候，通過(guò)3D打印來(lái)制作模具可能是一種更佳的選擇，在成本可控的范圍，制造商可以將他們的產(chǎn)品范圍擴(kuò)大到以前在經(jīng)濟(jì)上不可行的定制或小批量生產(chǎn)。加上速度快，3D打印模具使制造商能夠更快地響應(yīng)客戶(hù)對(duì)新產(chǎn)品的需求，用于短期產(chǎn)品的最終開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。

讓我們?cè)賮?lái)看看國(guó)內(nèi)的案例。迪嘉（Multiplus）是中國(guó)深圳的一家注塑成型公司，同時(shí)提供快速開(kāi)模及小批量注塑服務(wù)。過(guò)去幾年，小批量生產(chǎn)的需求激增，由于制造模具的復(fù)雜性和成本，傳統(tǒng)上小批量生產(chǎn)的利潤(rùn)率較低。迪嘉轉(zhuǎn)向3D打印，以探索適合更快地為較小訂單生產(chǎn)更便宜的塑料模具，最終發(fā)現(xiàn)Formlabs的SLA 3D打印機(jī)與該公司的玻璃填充樹(shù)脂材料Rigid 10K Resin非常適合他們的Babyplast工業(yè)注塑機(jī)。

設(shè)計(jì)好模具后，迪嘉可以在一天內(nèi)打印出模具并進(jìn)行后處理，結(jié)合現(xiàn)有的模具金屬框架，半小時(shí)內(nèi)就可以組裝好，然后開(kāi)始注塑成型。該公司將每個(gè)模具的使用次數(shù)大約是100次，但對(duì)于更大的訂單數(shù)量，可以一次3D打印多個(gè)模具。

再來(lái)看看3D打印機(jī)制造商Markforged的應(yīng)用案例。為了以節(jié)省模具加工的時(shí)間和費(fèi)用，全球較大的碰撞測(cè)試假人制造商Humanetics同樣選擇了3D打印。

該公司需要一種熱固性模具來(lái)取代其昂貴的外購(gòu)硅膠工藝，該工藝能夠在加熱至150℃時(shí)承受巨大的夾緊力。Markforged使用X7 3D打印機(jī)打印和Onyx材料在大約60小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)出一個(gè)模具，每個(gè)模具的成本約為240美元，而機(jī)加工硅膠模具的制造時(shí)間為144小時(shí)，每個(gè)模具的成本約為1,000美元。

3，優(yōu)缺點(diǎn)分析總結(jié)

塑料3D打印模具的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：比傳統(tǒng)金屬模具制作速度快得多，便宜得多；可同時(shí)打印多個(gè)模具版本；應(yīng)用可選項(xiàng)更高，適合外包制造商選擇；防止數(shù)據(jù)資料外泄，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)部解決方案；注塑出來(lái)的零件質(zhì)量相同。

相對(duì)明顯的缺點(diǎn)包括：塑料模具的導(dǎo)熱性通常低于金屬模具，導(dǎo)致注塑件的冷卻時(shí)間更長(zhǎng)；比金屬模具磨損得更快；可能仍需要機(jī)加工后處理才能滿(mǎn)足精度要求；模具尺寸有限。

3D打印金屬模具

金屬3D打印模具使用激增背后的驅(qū)動(dòng)因素與塑料3D打印模具的優(yōu)勢(shì)完全不同。事實(shí)上，在某些情況下，金屬3D打印模具可能比傳統(tǒng)金屬模具更昂貴且制造時(shí)間更長(zhǎng)。它不是模具的制作更占優(yōu)勢(shì)，而是整個(gè)產(chǎn)品在使用3D打印模具來(lái)生產(chǎn)更具經(jīng)濟(jì)效益。

1，使用的技術(shù)和材料

金屬3D打印可以創(chuàng)建用于最終產(chǎn)品生產(chǎn)和原型的模具，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的細(xì)節(jié)，使制造商能夠跳過(guò)傳統(tǒng)模具制造過(guò)程中的多個(gè)步驟，并且不再需要熟練的機(jī)械師。

比較常見(jiàn)的工藝是選擇性激光熔化(SLM)，這也是金屬材料增材制造中的一種主要技術(shù)途徑。使用該工藝雖然可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的細(xì)節(jié)，但額外的加工仍然很常見(jiàn)。事實(shí)上，鑒于目前的成本和加工速度，金屬3D打印不會(huì)取代注塑工具的機(jī)加工，而是一種有助于加快整體生產(chǎn)速度的補(bǔ)充。

另一種3D打印技術(shù)稱(chēng)為直接能量沉積 (DED)，由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積。這種方法使多種金屬材料的金屬模具成為可能。例如，可以在純銅基板上應(yīng)用不銹鋼頂層，以將高導(dǎo)熱性和耐磨性結(jié)合起來(lái)，這是注塑成型工具所需的特性。

由于金屬3D打印零件通常需要額外加工，因此市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來(lái)越多的混合機(jī)器，將3D打印機(jī)和CNC機(jī)器集成到一臺(tái)機(jī)器中，比如：金屬3D打印初創(chuàng)公司Mantle推出的TrueShape機(jī)器就屬于這類(lèi)機(jī)型。

首先使用可擠壓工具鋼漿3D打印金屬模具。接下來(lái)，嵌入式CNC機(jī)器將模具加工成嚴(yán)格的公差，然后在高溫爐中將其燒結(jié)。

2，典型應(yīng)用案例

3D打印能夠制造具有復(fù)雜保形冷卻通道的模具，它正在引發(fā)模具制造行業(yè)的一場(chǎng)革命。冷卻通道在金屬注射成型工具中是必不可少的，這樣零件就可以更快、更均勻地冷卻。冷卻階段占整個(gè)循環(huán)時(shí)間的70%至80%，因此在模具的整個(gè)生命周期內(nèi)縮短該時(shí)間可為制造商節(jié)省大量資金。適當(dāng)?shù)睦鋮s也會(huì)影響最終產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量和機(jī)械性能。

使用傳統(tǒng)的加工技術(shù)，通過(guò)直線(xiàn)鉆孔將冷卻通道添加到模具中。部件的幾何形狀越復(fù)雜，沿著模具輪廓保持精確冷卻就越困難，這會(huì)使復(fù)雜部件的傳統(tǒng)生產(chǎn)變得異常費(fèi)力和昂貴。

與傳統(tǒng)工藝相比，3D打印可以在形狀符合零件幾何形狀的模具內(nèi)創(chuàng)建彎曲的冷卻通道，并在需要的地方提供冷卻，以提高零件質(zhì)量并將冷卻時(shí)間減少多達(dá)70%。

我們接下來(lái)具體看看幾個(gè)案例。首先，以普利司通為例，讓我們一起看看它是如何制造真正的全季輪胎。傳統(tǒng)上的輪胎模具是通過(guò)以所需的模式手動(dòng)將條狀和金屬塊連接到基本輪胎模具上制成的。金屬碎片是使用傳統(tǒng)的加工工具制造，因此其幾何形狀簡(jiǎn)單。

現(xiàn)在，普利司通借助德國(guó)金屬3D打印機(jī)制造商SLM Solutions的SLM 機(jī)器制作3D打印金屬模具，工程師可以實(shí)現(xiàn)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的形狀和模式。通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)，提高了輪胎的牽引性能，同時(shí)不會(huì)影響輪胎的磨損壽命。

據(jù)SLM Solutions表示，已經(jīng)成功打印出了薄處厚度只有0.3mm的鋼輪胎模具。不僅僅是普利司通在使用3D打印，米其林自2013年以來(lái)一直在銷(xiāo)售使用該技術(shù)制造的輪胎。

接下來(lái)，我們?cè)倏匆豢磭?guó)內(nèi)的案例。易加三維拔罐制造商過(guò)去采用傳統(tǒng)注塑成型的拔罐透明度較低，注塑效率不高。主要原因是通過(guò)傳統(tǒng)CNC技術(shù)生產(chǎn)的拔罐模具只能加工垂直冷卻通道，無(wú)法有效地冷卻模具。

通過(guò)使用易加Eplus3D EP-M250 SLM 3D打印機(jī)生產(chǎn)復(fù)雜的保形冷卻通道金屬模具。最終拔罐只需16.63s即可達(dá)到噴射溫度。與需要22.97秒的傳統(tǒng)模具相比，時(shí)間減少了6秒以上，注射效率提高了約26％。

3D打印隨形冷卻通道的優(yōu)勢(shì)在很多領(lǐng)域的模具制造中都有體現(xiàn)，就拿電子煙來(lái)說(shuō)，據(jù)廣東模科透露：“我們近3年多了解的PCTG的材料，特別是在電子煙上面的應(yīng)用，這種產(chǎn)品這款材料沒(méi)有3D打印技術(shù)，也許是朝著另外一個(gè)方向發(fā)展。”可見(jiàn)3D打印在模具行業(yè)的重要性，它真正解決了傳統(tǒng)不能解決的難題。

3，優(yōu)缺點(diǎn)分析總結(jié)

金屬3D打印模具的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：與機(jī)加工模具質(zhì)量相同；可以制作隨形冷卻通道；使用比機(jī)加工模具更少的原材料，更快的速度；可以一次打印多個(gè)模具版本；應(yīng)用可選項(xiàng)更高，適合外包制造商選擇；防止數(shù)據(jù)資料外泄，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)部解決方案；注塑出來(lái)的零件質(zhì)量相同。

相對(duì)明顯的缺點(diǎn)包括：與機(jī)械加工相比，可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間和更高的成本；所需的前期設(shè)計(jì)時(shí)間更多和技能要求更高；可能仍需要機(jī)加工后處理才能滿(mǎn)足精度要求；模具尺寸有限。

其中使用多的材料包括不銹鋼和工具鋼。

總之，與傳統(tǒng)加工模具相比，3D打印模具的優(yōu)勢(shì)在于速度、成本和材料節(jié)省，同時(shí)設(shè)計(jì)更靈活。以金屬3D打印模具來(lái)說(shuō)，或許以前只是中大型企業(yè)才會(huì)采用，如今中小模具廠(chǎng)也已經(jīng)在使用，該技術(shù)的普及只是時(shí)間問(wèn)題。