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中国模具行业3D打印的现状和中期发展趋势前瞻

国际金属加工网 2023年08月14日

3D打印技术是一种近年来新兴的制造技术,有别于传统加工的车铣刨磨去除材料。3D打印采用“叠加”的形式制成零件,因此也被叫做增材制造技术。3D打印这门制造技术只有40多年的发展历史,产业化应用不过20年。其进入中国被制造业所熟知也只有10到15年的时间。3D打印作为新兴的技术类型,如何匹配模具行业的需求?又是如何被模具行业接受?进而推动模具制造变革升级?本文将从3D打印在模具行业应用和发展的角度,回答这些问题。

3D打印作为一个大的概念其中包含了很多技术类型,本文中提到的3D打印专指选区激光熔融技术SLM(Selective LaserMelting)。另外,近年来有些科学家觉得SLM对于融合原理的描述不够准确,给这种技术起了另一个名字叫做激光粉床熔融技术LPBF(Laser Powder Bed Fusion)。这两种叫法只是名字不同,技术上并无区别。相比于其他类型的 3D打印技术,SLM有着精度高,收缩率小的优势,更容易和模具行业高精度的需求匹配,也是在模具行业应用最为广泛的3D打印技术。

一、为什么模具制造要使用3D打印技术?

模具行业对于模具的精度要求高,产品质量要求高,但同时又有很大的成本压力。根据这些特点,3D打印在一些模具的制造领域有着独特的优势。

1. 降低制造成本

(1)随形水路是模具3D打印制造最普遍的应用

3D打印由于不使用刀具加工,就突破了点线面圆的加工形式,可以制造“任意”形状的零件。从这个角度看,3D打印最重要的贡献是解放了制造前端的设计。在模具的冷却水路设计中,3D打印可以设计出贴合零件外形的弯曲水路,增加了水路的长度,从而达到降低了冷却时间的目的。另外,贴合零件外形的弯曲水路,因为和零件表面是等距离的,使得产品冷却更均匀,这种等距水路的概念就是随形水路这个词的由来,随形就是随的产品的外形,意为随着产品形状设计和制造水路。随形水路因为冷却更均匀,可以使注塑产品的表面质量更好。

3D打印可以制造“任意”形状的零件,只不过是一句商业宣传的口号。由于这项技术仍然处在发展过程中,在3D打印的设计规则中仍然有诸多限制,比如,悬垂面的处理,大直径的孔,细小的平孔,仍然是3D打印的制造难点。对应到模具水路的设计中,水路设计中特别粗(>6mm),或者特别细(<0.8mm)都有很大的风险。水路的形状也不能完全随心所欲。

(2) 打印复杂形状降低机加工成本

有些模具的形状比较复杂,使用机加工制造需要多次装夹和换刀,一些细小的部位甚至无法加工。这种类型的模具一部分可以考虑使用3D打印来处理。不仅可以大幅减少模具的机加工工序,还可以直接打印出模具的水路。

3D打印完成后的表面粗糙度大约是Ra4μm,打印完成后的模具不可避免的还需要精加工处理。所以,并不是所有的复杂形状的模具都适合3D打印,还要看模具的具体要求。

(3) 替代放电加工

有些模具使用放电加工制造,比如电子产品内侧或者内部的带有拉筋塑料件。3D 打印对比线割加工是没有成本优势的,但是对于不能使用线割的盲槽模具,传统加工只能使用电火花加工或者铣床开粗结合电火花精加工。不仅需要加工电极,而且加工效率很低。这种零件是比较适合使用3D打印来制造的。

2.提高产品表面质量

相比于机加工的直水路,随形冷却水路可以让注塑件得到更均匀的冷却,从而从根本上提升产品的表面质量。可以很好地解决烫伤,填充不完全,缩印,夹水线等表面质量问题。

3.提高良品率
随形水路的应用还可以大大改善产品的质量问题。比如,薄件的翘曲,小件的气泡和凹陷,注塑件的烧焦、熔接不良等问题。提升良品率,节约成本。

二、什么类型的模具适合使用3D打印技术?

并非所有的模具都适合使用3D打印制造,下面列举一些 3D打印在模具行业的成熟应用,逐一介绍。

1. 注塑模具

目前3D打印95% 的应用都在注塑模具中。而在注塑模具整个领域, 3D打印的渗透率大约在3%。对比与3D打印在整个行业5%的渗透率,显得略低。相比于3D 打印的突出优势, 3D打印的局限性也同样突出。这也是渗透率低的主要原因。

2.表面质量要求高的外观件

在电子产品的品类中,客户因为外观而产生购买欲的比例已经超过了50%。外观设计的科技感和产品质感与功能设计同样重要。让塑料件摆脱廉价感也是现在电子产品的主要设计方向。因为这个大的设计背景,我们可以看到模具企业的客户对产品外观的质量要求逐步提高,并有越演越烈的趋势。我们从市场中发现,越来越多的3C产品开始大量使用3D打印技术制造的模具来生产外观件。

3.特定的产品类型

(1) 小零件
小零件的注塑中,经常会因为冷却不均匀出现烧焦的情况。原因一是因为机加工不能做出非常细的水路;二是小零件形状稍微复杂一点,直的水路就不能有效冷却。3D打印技术,在这个领域有天然的优势,可以很好地解决小零件的注塑质量问题。

(2)大平面外观件
过大的平面和平滑的曲面非常容易暴露注塑的瑕疵,特别是由于冷却不均匀,材料收缩引起的缺陷。3D打印可以设计多股的放射状等长水路或者等长平行水路,确保每个点位都均匀冷却,注塑出完美无瑕的外观件。

(3) 深骨位
深骨位零件由于热量的积聚,会导致烫伤、缩孔等产品不良问题,且需要更长的时间来冷却。而随形水路可以设计环绕式的盘旋水路,可以很好地解决深骨位的冷却问题。

(4) 盲槽

带有盲槽的注塑件模具一般需要使用电火花加工,铣电极和电火花加工本身都需要大量的时间。同时电极还是消耗品,特别是深槽损耗很大。使用3D打印来制造这类模具不仅不需要铣电极,打印出来的模具还自带水路。如果注塑件使用在产品内部,要求不高,打印出来的模具甚至不需要二次加工,即可直接使用。要求高的模具,3D打印也可以达到开粗的目的,也可以大幅降低放电的加工时间,大幅缩减电极的损耗。

(5)透气钢
传统方式加工的透气钢,不管是通过粉末冶金的方式,还是扩散焊的方式,只能加工出透气钢的嵌块。3D打印可以通过结构设计或工艺参数调整直接打印出透气钢。这种透气钢的优势是可以和模具的其他部分无缝衔接。注塑件的表面质量不容易出现瑕疵。

(6)轮胎模、鞋模
轮胎模具和鞋模虽然不需要水路,但是由于内部的花纹一般都很繁复,机加工难度高,费时费力。使用3D打印来制造这两类模具也慢慢成了趋势。

另外,机加工轮胎模、鞋模需要考虑刀路的问题,很大程度限制了这类模具花纹的设计。3D打印则不需要考虑这一点,可以设计出更具功能性的花纹。

(7)带有研发性质的手(首)板
研发应用一直是3D打印的主要应用,在研发领域3D打印模具可以更方便地替代木模、蜡模等手工模具,减少人为误差,且更利于数字化。在模具的研发中,3D打印由于只有一道工序,可以更快速地验证设计,缩短研发周期。

三、3D打印在模具行业的中期发展前瞻

在可预见的未来3~5年,3D打印在模具行业将会迎来如下的变化和发展。

1. 设备成本进一步下降
由于目前整个3D打印技术没有实现跨越,国产的3D打印设备已经达到并在某些领域部分超过进口设备。除了激光器和振镜系统,其他部分基本实现国产替代。由于目前3D打印设备厂商较多,成本压力大,目前激光器也有逐步被国产品牌替代的趋势。加之,目前3D打印行业较受资本的青睐,在设备国产化进程中,资本起了推波助澜的作用。设备成本有进一步降低的趋势。

2. 工艺进步
从市场从业者角度看,在中期3D打印技术仍然不会实现飞跃和跨越。打印效率、尺寸精度和粗糙度仍然不会有质的提升。

工艺发展更多的是匹配新材料的工艺开发。

3. 材料发展
由于目前3D打印模具材料的诸多问题,新材料的开发会迎来较快的发展,市面上会出现新的耐腐蚀并且耐磨的新材料。研发方向将会从现有的传统牌号中,选择适合3D打印的材料进行研究和工艺优化。

压铸行业将迎来首款适合的3D打印材料。目前,市面上有人尝试使用H13作为压铸行业3D打印材料,从目前的资料看,材料生产商仍然没有很好地解决H13 打印的裂纹问题。压铸模次难以达到3万次的最低标准。

4. 打印服务行业的发展
打印服务的价格会进一步降低。随着粉末价格逐年下降和市场容量的不断扩大,现有牌号的3D打印服务价格,会进一步降低。

增材加减材的交钥匙服务模式。3D打印服务商会陆续建立起精加工中心,为模具客户提供一站式加工服务。

3D打印服务常规化。3D打印服务会逐步演变成和传统加工类似的加工服务模式。

5. 自建3D打印中心的机遇和挑战
随着3D打印设备价格的降低和技术普及度的提高,模具企业会陆续建立起自己研发性质的3D打印中心和生产性质的3D打印生产部门。由于模具企业更熟悉模具制造和自身的产品,掌握3D打印技术后,会设计出功能性更好的模具产品,这点是打印服务商不具备的能力。自有的生产部门更有兼具保密和降成本的两大优势。

设备—材料—工艺被称为3D打印铁三角,三者相互支撑和配合就可以输出合格的 3D打印零件。但在模具企业运营3D打印中心时,这部分恰恰是最容易的掌握的,因为市场上均有相对成熟的方案可以直接输出。企业面临的主要挑战还是相关人才的适配、设计观念转变和制造流程嵌套。

(DMC模具技术和设备展览会)

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