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淺談3D打印給模具行業帶來的“喜”與“憂”

日期:12-08    屬于:常見問題解答

科技媒體3D打印網訊 模具行業是一個跨度的行業,它與制造業的各個領域都發生關系。在現代社會,制造和模具是高度依存的,無數產品的部件都要通過模制(注射、吹塑和硅膠)或鑄模(熔模、翻砂和旋壓)來制造。無論什么應用,制造模具都能在提高效率和利潤的同時保證質量。

  CNC加工是在制造模具時最常用的技術。雖然它能夠提供高度可靠的結果,但同時也非常昂貴和費時。所以很多模具制造企業也開始尋找更加有效的替代方式。而通過增材層制造制作模具也就成了一個更加具有吸引力的方法,特別是因為模具一般都屬于小批量生產而且形狀都比較復雜,很適合3D打印來完成。

 

淺談3D打印給模具行業帶來的“喜”與“憂”

 

  目前,3D打印廣泛應用于模型制作,手板和模具制作等領域。雖然貴為本世紀的前沿科技之一,但其真實面臨的困境不容小覷。據業內分析,3D打印目前在許多行業存在同樣的問題:首先,3D打印的成本目前還比較高;其次,同樣價位上,3D打印對比傳統模型精度要差很多。等到3D打印成熟和普及的時候,沖擊才會形成。除了以上兩大劣勢,3D打印的材料實現不了其它材料--哪怕是注塑,的強度、韌性等性能。目前在應用方面,還是有很大的局限性。

  那么模具制造能夠從3D打印技術上得到什么好處嗎?

  其實模具制造的以下幾個環節是能夠用到3D打印技術的:

  (1)成型(吹塑、LSR、RTV、EPS、注塑、紙漿模具、可溶性模芯、玻璃鋼模具等等)

  (2)鑄模(熔模、砂模、旋壓等...)

  (3)成型(熱成型,金屬液壓成型等...)

  (4)機械加工、裝配和檢驗(固定夾具、移動夾具、模塊化夾具等...)

  (5)機器人末端執行器(夾手)

  用3D打印制造模具有許多優點:

  1)模具生產周期縮短

  3D打印模具縮短了整個產品開發周期,并成為驅動創新的源頭。在以往,由于考慮到還需要投入大量資金制造新的模具,公司有時會選擇推遲或放棄產品的設計更新。通過降低模具的生產準備時間,以及使現有的設計工具能夠快速更新,3D打印使企業能夠承受得起模具更加頻繁的更換和改善。它能夠使模具設計周期,跟得上產品設計周期的步伐。

  此外,有的公司自己采購了3D打印設備以制造模具,這樣就進一步加快了產品開發的速度,提高了靈活性/適應性。在戰略上,它提升了供應鏈御防延長期限和開發停滯風險的能力,比如從供應商那里獲得不合適的模具。

  2)制造成本降低

  如果說當下金屬3D打印的成本要高于傳統的金屬制造工藝的成本,那么成本的削減在塑料制品領域更容易實現。

  金屬3D打印的模具在一些小的、不連續的系列終端產品生產上具有經濟優勢(因為這些產品的固定費用很難攤銷),或者針對某些特定的幾何形狀(專門為3D打印優化的)更有經濟優勢。尤其是當使用的材料非常昂貴,而傳統的模具制造導致材料報廢率很高的情況下3D打印具有成本優勢。

  此外,3D打印在幾個小時內制造出模具的能力也會對制造流程和利潤產生積極的影響。 尤其是當生產停機和/或模具庫存十分昂貴的時候。

  最后,有時經常會出現生產開始后還要修改模具的情況。3D打印的靈活性使工程師能夠同時嘗試無數次的迭代,并可以減少因模具設計修改引起的前期成本。

  3)模具設計的改進為終端產品增加了更多的功能性。

  通常,金屬3D打印的特殊冶金方式能夠改善金屬微觀結構并能產生完全致密的打印部件,與那些鍛造或鑄造的材料(取決于熱處理和測試方向)相比其機械和物理性能一樣或更好。增材制造為工程師帶來了無限的選擇以改進模具的設計。當目標部件由幾個子部件組成時,3D打印具有整合設計,并減少零部件數量的能力。這樣就簡化了產品組裝過程,并減少了公差。

  此外,它能夠整合復雜的產品功能,使高功能性的終端產品制造速度更快、產品德缺陷更少。例如,注塑件的總體質量要受到注入材料和流經工裝夾具的冷卻流體之間熱傳遞狀況的影響。 如果用傳統技術來制造的話,引導冷卻材料的通道通常是直的,從而在模制部件中產生較慢的和不均勻的冷卻效果。

  而3D打印可以實現任意形狀的冷卻通道,以確保實現隨形的冷卻,更加優化且均勻,最終導致更高質量的零件和較低的廢品率。此外,更快的除熱顯著減少了注塑的周期,因為一般來說冷卻時間可占整個注塑周期的70%。

  4)優化工具更符合人體工學和提升性能

  3D打印降低了驗證新工具(它能夠解決在制造過程中未能滿足的需求)的門檻,從而能夠在制造中投入更多移動夾具和固定夾具。傳統上,由于重新設計和制造它們需要相當的費用和精力,所以工具的設計和相應的裝置總是盡可能地使用更長的時間。隨著3D打印技術的應用,企業可以隨時對任何工具進行翻新,而不僅限于那些已經報廢和不符合要求的工具。

  由于需要很小的時間和初始成本,3D打印使得對工具進行優化以獲得更好的邊際性能變得更加經濟。于是技術人員可以在設計的時候更多地考慮人體工學,以提高其操作舒適性、減少處理時間,以及更加方便易用易于儲存。雖然這樣做有可能只是減少了幾秒鐘的裝配操作時間,但是架不住積少成多。此外優化工具設計,也可以減少零件的廢品率。

  5)定制模具幫助實現最終產品的定制化

  更短的生產周期、制造更為復雜幾何形狀、以及降低最終制造成本的能力,使得企業能夠制造大量的個性化工具來支持定制部件的制造。3D打印模具非常利于定制化生產,比如醫療設備和醫療行業。它能夠為外科醫生提供3D打印的個性化器械,如外科手術導板和工具,使他們能夠改善手術效果,減少手術時間。

  那么3D打印會取代模具制造業嗎?

  據前瞻產業研究院發布的《2015-2020年中國3D打印產業市場需求與投資潛力分析報告》,2010年時全球3D打印產業的市場規模接近13.25億美元,2011年這一數字增長至17.14億美元,但到2013年這一數字直接飆升至40億美元,同比2012年的22.04億上漲了81.49%。

  面對3D打印行業發展趨勢,不少人擔憂3D打印將直接取代模具制造業。相比于3D打印來說,模具制造的工藝流程需要經過審圖、模架加工、模芯加工、電極加工、模具零件加工、檢驗裝備、飛模之后才能進行生產,工藝流程要復雜的多。而3D打印經過建模軟件建模后,再截圖“切片”給打印機讀取橫截圖信息即可進行打印生產。

  不過也有業內人士表示,在3D打印尚出于初步階段,對于壓鑄模和壓鑄件的模具企業來說,尚未構成威脅。前瞻產業研究院分析師孫海紅認為,目前的3D打印技術并不適合批量生產,3D打印生產單件模型的成本和生產上萬件模具的成本基本相似,而傳統模具制造企業一旦規?;a,就能顯現出優勢。

  而且模具制造企業的生產時間要比3D打印的生產時間要少得多。盡管模具生產的前期準備比較多,但一旦萬事俱備,僅需幾秒鐘就可以生產出一個產品,但現階段的3D打印機卻需要3個小時乃至更長的時間才能生產出一件產品。所以,現階段3D打印很難在批量化生產環節中取代模具制造業。

  不少企業家對于3D打印替代模具制造業的問題看得更為樂觀,雖然二者存在相似性,但未必一定是生死存亡的關系。未來3D打印技術成熟,反而可以為模具制造企業所用,企業利用3D打印技術生產低效益的產品,而將模具制造技術用于生產附加值高、精密制造的產品,比如航空航天器械和醫療器械,從而實現整個產業的轉型升級。

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