淺談3D打印與注塑成型工藝

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隨著時代的發(fā)展和生產(chǎn)力的變革，傳統(tǒng)與現(xiàn)代，傳承與創(chuàng)新也體現(xiàn)在現(xiàn)代日趨多樣化的生產(chǎn)方式上。

在過去的半個世紀里，擁有質(zhì)量高、成本低、速度快等特點的機械加工和注塑成型工藝等傳統(tǒng)制造技術(shù)，被奉為大批量生產(chǎn)的工業(yè)標準。如今，隨著縮減產(chǎn)品生產(chǎn)周期需求和人們對產(chǎn)品個性化需求的日益高漲，給了新的制造技術(shù)嶄露頭角的機會。以注塑成型為代表的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式在堅守標準，而以3D打印為代表的新型生產(chǎn)方式則在展現(xiàn)增材制造能力。二者常常被拿來比較，本期筆者將從成型原理、優(yōu)劣分析、生產(chǎn)模式、應用范圍等多方面深入探討兩種技術(shù)。

成型原理

圖為：注塑成型原理

注塑成型工藝始于20世紀20年代，已有近百年的發(fā)展歷史，是目前使用非常廣泛、成熟的工業(yè)制造技術(shù)。其是指在一定溫度下，通過螺桿攪拌完全熔融的塑料材料，用高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成型品的方法。

3D打印的概念起源于上個世紀80年代，并于上世紀90年代中期，正式進入人們的生活當中。這是一種快速成型的技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬/塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

圖為：選擇性激光熔融成型原理圖

工藝流程

注塑成型工藝過程主要包括填充——保壓——冷卻——脫模等四個階段，這四個階段直接決定著制品的成型質(zhì)量，而且這四個階段是一個完整的連續(xù)過程。

3D打印則可以實現(xiàn)一體成型，無需組裝，即可呈現(xiàn)最終產(chǎn)品。

優(yōu)劣勢分析

注塑成型優(yōu)勢

•成型時要先鎖緊模具后才將熔料注入，加之具有良好流動性的熔料對模腔的磨損很小，因此一套模具可生產(chǎn)大批量注塑制品。

圖為：注塑成型設(shè)備

•成型過程的合模、加料、塑化、注射、開模和脫模等全部成型過程均由注塑的動作完成，從而使注塑工藝過程易于全自動化和實現(xiàn)程序控制。

•通過共注可成型多于一種以上的材料，可有效地成型表皮硬而心部發(fā)泡的材料，可以成型熱固性塑料和纖維增強塑料。

•生產(chǎn)效率高，二套模具可包含數(shù)十個甚至上百個型腔，因此一次成型即可成型數(shù)十個甚至上百個塑件。

•成型塑件僅需少量修整即可使用，在成型過程中產(chǎn)生的廢料可以重復利用，因此，注塑成型時對原料的浪費很少。

注塑成型的缺點

•注塑成型的關(guān)鍵器具是模具，但模具的設(shè)計、制造和試模的周期很長，投產(chǎn)較慢。

•由于冷卻條件的限制，因此對于厚壁且變化又大的塑件成型較困難。

•由于注塑機和注塑模的造價都比較高，因此啟動投資大，故不適合小批量塑件的生產(chǎn)。

•成型制品的質(zhì)量受多種因素限制，因此對技術(shù)要求較高，掌握的難度較大。

3D打印優(yōu)勢

•節(jié)省材料，不用剔除邊角料，提高了材料的利用率，通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本。

•能做到較高的精度和很高的復雜程度，可以制造出采用傳統(tǒng)方法制造不出來的、非常復雜的制件。

•不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機床或任何模具，就能直接把計算機中的任何形狀的三維CAD圖形生成實物產(chǎn)品。

圖為：工業(yè)級3D打印設(shè)備

•可以自動、快速、直接和比較精確地將計算機中的三維設(shè)計轉(zhuǎn)化為實物模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。

•無需集中的、固定的制造車間，具有分布式生產(chǎn)的特點。

•能在數(shù)小時內(nèi)成型，讓設(shè)計人員和開發(fā)人員實現(xiàn)從平面圖到實體的飛躍。

3D打印的缺點

•3D打印仍是比較昂貴的技術(shù)。由于用于增材制造的材料研發(fā)難度大、而使用量不大等原因，導致3D打印制造成本較高。

•在規(guī)模化生產(chǎn)方面尚不具備優(yōu)勢，所以，對于生產(chǎn)有大量剛性需求的產(chǎn)品來說，具有規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢的大規(guī)模生產(chǎn)仍比重點放在個性化、定制化的3D打印生產(chǎn)方式更加經(jīng)濟。

•打印材料受到限制。3D打印技術(shù)的局限和瓶頸主要體現(xiàn)在材料上。目前，打印材料主要是塑料、樹脂、石膏、陶瓷、砂和金屬等。

•精度和質(zhì)量問題。由于3D打印技術(shù)固有的成型原理及發(fā)展還不完善，其打印成型零件的精度、物理性能及化學性能等很多不能滿足實際使用要求，不能作為功能性零件，只能做原型件使用，從而導致其應用大打折扣。

所有材料

顧名思義，注塑成型工藝所使用的材料為塑料，常用塑料包括聚烯烴、氯乙烯、苯乙烯系樹脂、丙烯酸脂類、酰胺樹脂聚、線性聚脂類、氟塑料、纖維素塑料、耐高溫型樹脂等。

圖為：塑料材料

圖為：金屬粉末材料

相對于傳統(tǒng)制造業(yè)而言，材料一直是制約3D打印快速市場化的重要因素，目前能夠用于3D打印的材料包括：PLA、ABS、PVA（水溶性支撐材料）、PC、HIPS、光敏樹脂、尼龍、金屬 (紅銅、鋁、青銅、不銹鋼）等 。

生產(chǎn)模式

注塑成型工藝只要有注塑模具，就可以低成本、大規(guī)模地生產(chǎn)標準化產(chǎn)品，因此，對于傳統(tǒng)大批量、大規(guī)模制造來說，目前注塑成型仍然是最佳選擇。

圖為：注塑成型產(chǎn)品

而3D打印不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機床或任何模具，就能快速、直接和比較精確地將計算機中的三維設(shè)計轉(zhuǎn)化為實物模型，得益于3D打印機異于傳統(tǒng)注塑成型工藝的特性，越是復雜非實心的物體，加工速度越快，越節(jié)省原材料成本，因此比較擅長個性化、多樣化產(chǎn)品的制造。

制造成本

由于注塑成型的原材料廣泛易得，其大規(guī)模、快速進行標準化生產(chǎn)的特性，也有利于降低單個產(chǎn)品成本，因此，從制造成本而言，注塑成型的成本遠低于3D打印技術(shù)。

不過，對于工業(yè)制造來說，3D打印真正節(jié)約成本的環(huán)節(jié)在于修改原型環(huán)節(jié)，修改原型只需要修改CAD模型，不會產(chǎn)生任何制造成本。

圖為：3D打印成型產(chǎn)品

而在注塑成型中，如果原型是鋼材模具，修改成本會相對較低，但如果使用的是鋁合金制模工具，成本就要高出很多。

應用領(lǐng)域

目前，注塑成型工藝能夠?qū)崿F(xiàn)批量制造形狀一致的物品，因此非常適合大批量的標準化產(chǎn)品制造。例如批量加工某一個部件進行標準化生產(chǎn)，如生產(chǎn)玩具、航空、航天、電子、機械等領(lǐng)域。

圖為：注塑成型制造的零部件

圖為：3D打印零部件

3D打印只需通過控制終端輸入三維圖像，就能將原材料打印成實物模型，甚至直接制造零件或模具。目前廣泛運用于教育創(chuàng)客、建筑設(shè)計以及醫(yī)療行業(yè)等。

3D打印是否會取代注塑成型？

3D打印作為新興制造技術(shù)的代表，勢頭正盛，引發(fā)越來越廣泛的關(guān)注和應用，注塑成型是傳統(tǒng)且較為成熟的生產(chǎn)方式，創(chuàng)新空間有限，由此引發(fā)關(guān)于3D打印是否會取代注塑成型工藝的討論。

對于大規(guī)模生產(chǎn)的普通易耗品，更多的依賴批量化生產(chǎn)，3D打印并不會全部替代模具，只會使模具產(chǎn)業(yè)加快升級步伐，變得更為簡單、方便、快捷、實用。對于高端工業(yè)品，材料、工藝才是核心競爭力所在，時間成本也往往大于人力成本。

通過3D打印制作出來的注塑模具可取代用于短期產(chǎn)品和原型件。3D打印模具被用于生產(chǎn)原型件時，有助于找出設(shè)計問題，避免耗費大量資金制作設(shè)計不完善的鋁制或鋼制模具。

互為補充 共同完善制造業(yè)體系

3D打印技術(shù)相對傳統(tǒng)制造技術(shù)而言是一次重大的技術(shù)革命。它能夠解決傳統(tǒng)制造業(yè)所不能解決的技術(shù)難題，對傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和結(jié)構(gòu)性調(diào)整將起到積極的推動作用。但傳統(tǒng)制造業(yè)所擅長的批量化、規(guī)模化、精益化生產(chǎn)，恰恰是3D打印技術(shù)的短板。因此，3D打印技術(shù)本身不能取代傳統(tǒng)制造業(yè)，也不是要取代傳統(tǒng)制造業(yè)，而是要為傳統(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮動力，成為傳統(tǒng)制造業(yè)的有益補充。

結(jié)束語：注塑成型延續(xù)批量化制造的優(yōu)越性，3D打印為小批量、個性化制造敞開了大門。“主流”和“非主流”的生產(chǎn)方式滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的不同需求。二者各有利弊，適用范圍不盡相同，現(xiàn)今階段，二者并非取代與被取代的關(guān)系，而是互為補充，填補制造短板與缺陷，完善制造體系。在具體選取中，可根據(jù)產(chǎn)品需求數(shù)量、成型難度、材料特性等因素綜合考慮。

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介紹詳盡，很棒的閱讀材料！

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長知識了謝謝大大

平凡簡單

3D打印也有耗材吧，有些零件難道不需要支撐？沒支撐收縮了怎么辦，但是3D打印的耗材確實沒有注塑模大