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    浅谈3D打印与注塑成型工艺

    2020-05-07来源:3D帝国网

      随着时代的发展和生产力的变革,传统与现代,传承与创新也体现在现代日趋多样化的生产方式上。

      在过去的半个世纪里,拥有质量高、成本低、速度快等特点的机械加工和注塑成型工艺等传统制造技术,被奉为大批量生产的工业标准。如今,随着缩减产品生产周期需求和人们对产品个性化需求的日益高涨,给了新的制造技术崭露头角的机会。以注塑成型为代表的传统生产方式在坚守标准,而以3D打印为代表的新型生产方式则在展现增材制造能力。二者常常被拿来比较,本期笔者将从成型原理、优劣分析、生产模式、应用范围等多方面深入探讨两种技术。

      成型原理

      图为:注塑成型原理

      注塑成型工艺始于20世纪20年代,已有近百年的发展历史,是目前使用非常广泛、成熟的工业制造技术。其是指在一定温度下,通过螺杆搅拌完全熔融的塑料材料,用高压射入模腔,经冷却固化后,得到成型品的方法。

      3D打印的概念起源于上个世纪80年代,并于上世纪90年代中期,正式进入人们的生活当中。这是一种快速成型的技术,它以数字模型文件为基础,运用粉末状金属/塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

      图为:选择性激光熔融成型原理图

      工艺流程

      注塑成型工艺过程主要包括填充——保压——冷却——脱模等四个阶段,这四个阶段直接决定着制品的成型质量,而且这四个阶段是一个完整的连续过程。

      3D打印则可以实现一体成型,无需组装,即可呈现最终产品。

      优劣势分析

      注塑成型优势

      •成型时要先锁紧模具后才将熔料注入,加之具有良好流动性的熔料对模腔的磨损很小,因此一套模具可生产大批量注塑制品。

      图为:注塑成型设备

      •成型过程的合模、加料、塑化、注射、开模和脱模等全部成型过程均由注塑的动作完成,从而使注塑工艺过程易于全自动化和实现程序控制。

      •通过共注可成型多于一种以上的材料,可有效地成型表皮硬而心部发泡的材料,可以成型热固性塑料和纤维增强塑料。

      •生产效率高,二套模具可包含数十个甚至上百个型腔,因此一次成型即可成型数十个甚至上百个塑件。

      •成型塑件仅需少量修整即可使用,在成型过程中产生的废料可以重复利用,因此,注塑成型时对原料的浪费很少。

      注塑成型的缺点

      •注塑成型的关键器具是模具,但模具的设计、制造和试模的周期很长,投产较慢。

      •由于冷却条件的限制,因此对于厚壁且变化又大的塑件成型较困难。

      •由于注塑机和注塑模的造价都比较高,因此启动投资大,故不适合小批量塑件的生产。

      •成型制品的质量受多种因素限制,因此对技术要求较高,掌握的难度较大。

      3D打印优势

      •节省材料,不用剔除边角料,提高了材料的利用率,通过摒弃生产线而降低了成本。

      •能做到较高的精度和很高的复杂程度,可以制造出采用传统方法制造不出来的、非常复杂的制件。

      •不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具,就能直接把计算机中的任何形状的三维CAD图形生成实物产品。

      图为:工业级3D打印设备

      •可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型,甚至直接制造零件或模具,从而有效地缩短了产品研发周期。

      •无需集中的、固定的制造车间,具有分布式生产的特点。

      •能在数小时内成型,让设计人员和开发人员实现从平面图到实体的飞跃。

      3D打印缺点

      •3D打印仍是比较昂贵的技术。由于用于增材制造的材料研发难度大、而使用量不大等原因,导致3D打印制造成本较高。

      •在规模化生产方面尚不具备优势,所以,对于生产有大量刚性需求的产品来说,具有规模经济优势的大规模生产仍比重点放在个性化、定制化的3D打印生产方式更加经济。

      •打印材料受到限制。3D打印技术的局限和瓶颈主要体现在材料上。目前,打印材料主要是塑料、树脂、石膏、陶瓷、砂和金属等。

      •精度和质量问题。由于3D打印技术固有的成型原理及发展还不完善,其打印成型零件的精度、物理性能及化学性能等很多不能满足实际使用要求,不能作为功能性零件,只能做原型件使用,从而导致其应用大打折扣。

      所有材料

      顾名思义,注塑成型工艺所使用的材料为塑料,常用塑料包括聚烯烃、氯乙烯、苯乙烯系树脂、丙烯酸脂类、酰胺树脂聚、线性聚脂类、氟塑料、纤维素塑料、耐高温型树脂等。

      图为:塑料材料

      图为:金属粉末材料

      相对于传统制造业而言,材料一直是制约3D打印快速市场化的重要因素,目前能够用于3D打印的材料包括:PLA、ABS、PVA(水溶性支撑材料)、PC、HIPS、光敏树脂、尼龙、金属 (红铜、铝、青铜、不锈钢)等 。

      生产模式

      注塑成型工艺只要有注塑模具,就可以低成本、大规模地生产标准化产品,因此,对于传统大批量、大规模制造来说,目前注塑成型仍然是最佳选择。

      图为:注塑成型产品

      3D打印不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具,就能快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型,得益于3D打印机异于传统注塑成型工艺的特性,越是复杂非实心的物体,加工速度越快,越节省原材料成本,因此比较擅长个性化、多样化产品的制造。

      制造成本

      由于注塑成型的原材料广泛易得,其大规模、快速进行标准化生产的特性,也有利于降低单个产品成本,因此,从制造成本而言,注塑成型的成本远低于3D打印技术。

      不过,对于工业制造来说,3D打印真正节约成本的环节在于修改原型环节,修改原型只需要修改CAD模型,不会产生任何制造成本。

      图为:3D打印成型产品

      而在注塑成型中,如果原型是钢材模具,修改成本会相对较低,但如果使用的是铝合金制模工具,成本就要高出很多。

      应用领域

      目前,注塑成型工艺能够实现批量制造形状一致的物品,因此非常适合大批量的标准化产品制造。例如批量加工某一个部件进行标准化生产,如生产玩具、航空、航天、电子、机械等领域。

      图为:注塑成型制造的零部件

      图为:3D打印零部件

      3D打印只需通过控制终端输入三维图像,就能将原材料打印成实物模型,甚至直接制造零件或模具。目前广泛运用于教育创客、建筑设计以及医疗行业等。

      3D打印是否会取代注塑成型?

      3D打印作为新兴制造技术的代表,势头正盛,引发越来越广泛的关注和应用,注塑成型是传统且较为成熟的生产方式,创新空间有限,由此引发关于3D打印是否会取代注塑成型工艺的讨论。

      对于大规模生产的普通易耗品,更多的依赖批量化生产,3D打印并不会全部替代模具,只会使模具产业加快升级步伐,变得更为简单、方便、快捷、实用。对于高端工业品,材料、工艺才是核心竞争力所在,时间成本也往往大于人力成本。

      通过3D打印制作出来的注塑模具可取代用于短期产品和原型件。3D打印模具被用于生产原型件时,有助于找出设计问题,避免耗费大量资金制作设计不完善的铝制或钢制模具。

      互为补充 共同完善制造业体系

      3D打印技术相对传统制造技术而言是一次重大的技术革命。它能够解决传统制造业所不能解决的技术难题,对传统制造业的转型升级和结构性调整将起到积极的推动作用。但传统制造业所擅长的批量化、规模化、精益化生产,恰恰是3D打印技术的短板。因此,3D打印技术本身不能取代传统制造业,也不是要取代传统制造业,而是要为传统制造业的创新发展注入新鲜动力,成为传统制造业的有益补充。

      结束语:注塑成型延续批量化制造的优越性,3D打印为小批量、个性化制造敞开了大门。“主流”和“非主流”的生产方式满足现代生产的不同需求。二者各有利弊,适用范围不尽相同,现今阶段,二者并非取代与被取代的关系,而是互为补充,填补制造短板与缺陷,完善制造体系。在具体选取中,可根据产品需求数量、成型难度、材料特性等因素综合考虑。

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