淺談3D打印給模具行業(yè)帶來的“喜”與“憂”

科技媒體3D打印網(wǎng)訊 模具行業(yè)是一個(gè)跨度的行業(yè)，它與制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)生關(guān)系。在現(xiàn)代社會(huì)，制造和模具是高度依存的，無數(shù)產(chǎn)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(yīng)用，制造模具都能在提高效率和利潤的同時(shí)保證質(zhì)量。

　　CNC加工是在制造模具時(shí)最常用的技術(shù)。雖然它能夠提供高度可靠的結(jié)果，但同時(shí)也非常昂貴和費(fèi)時(shí)。所以很多模具制造企業(yè)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(gè)更加具有吸引力的方法，特別是因?yàn)槟＞咭话愣紝儆谛∨可a(chǎn)而且形狀都比較復(fù)雜，很適合3D打印來完成。

　　目前，3D打印廣泛應(yīng)用于模型制作，手板和模具制作等領(lǐng)域。雖然貴為本世紀(jì)的前沿科技之一，但其真實(shí)面臨的困境不容小覷。據(jù)業(yè)內(nèi)分析，3D打印目前在許多行業(yè)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(jià)位上，3D打印對(duì)比傳統(tǒng)模型精度要差很多。等到3D打印成熟和普及的時(shí)候，沖擊才會(huì)形成。除了以上兩大劣勢(shì)，3D打印的材料實(shí)現(xiàn)不了其它材料--哪怕是注塑，的強(qiáng)度、韌性等性能。目前在應(yīng)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(shù)上得到什么好處嗎？

　　其實(shí)模具制造的以下幾個(gè)環(huán)節(jié)是能夠用到3D打印技術(shù)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(jī)械加工、裝配和檢驗(yàn)(固定夾具、移動(dòng)夾具、模塊化夾具等...)

　　(5)機(jī)器人末端執(zhí)行器(夾手）

　　用3D打印制造模具有許多優(yōu)點(diǎn)：

　　1)模具生產(chǎn)周期縮短

　　3D打印模具縮短了整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期，并成為驅(qū)動(dòng)創(chuàng)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(shí)會(huì)選擇推遲或放棄產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更新。通過降低模具的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，以及使現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工具能夠快速更新，3D打印使企業(yè)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(shè)計(jì)周期，跟得上產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的步伐。

　　此外，有的公司自己采購了3D打印設(shè)備以制造模具，這樣就進(jìn)一步加快了產(chǎn)品開發(fā)的速度，提高了靈活性/適應(yīng)性。在戰(zhàn)略上，它提升了供應(yīng)鏈御防延長期限和開發(fā)停滯風(fēng)險(xiǎn)的能力，比如從供應(yīng)商那里獲得不合適的模具。

　　2)制造成本降低

　　如果說當(dāng)下金屬3D打印的成本要高于傳統(tǒng)的金屬制造工藝的成本，那么成本的削減在塑料制品領(lǐng)域更容易實(shí)現(xiàn)。

　　金屬3D打印的模具在一些小的、不連續(xù)的系列終端產(chǎn)品生產(chǎn)上具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)(因?yàn)檫@些產(chǎn)品的固定費(fèi)用很難攤銷)，或者針對(duì)某些特定的幾何形狀(專門為3D打印優(yōu)化的)更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。尤其是當(dāng)使用的材料非常昂貴，而傳統(tǒng)的模具制造導(dǎo)致材料報(bào)廢率很高的情況下3D打印具有成本優(yōu)勢(shì)。

　　此外，3D打印在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)制造出模具的能力也會(huì)對(duì)制造流程和利潤產(chǎn)生積極的影響。 尤其是當(dāng)生產(chǎn)停機(jī)和/或模具庫存十分昂貴的時(shí)候。

　　最后，有時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)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(shí)嘗試無數(shù)次的迭代，并可以減少因模具設(shè)計(jì)修改引起的前期成本。

　　3)模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)為終端產(chǎn)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(jié)構(gòu)并能產(chǎn)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(cè)試方向)相比其機(jī)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(jìn)模具的設(shè)計(jì)。當(dāng)目標(biāo)部件由幾個(gè)子部件組成時(shí)，3D打印具有整合設(shè)計(jì)，并減少零部件數(shù)量的能力。這樣就簡化了產(chǎn)品組裝過程，并減少了公差。

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

　　而3D打印可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的冷卻通道，以確保實(shí)現(xiàn)隨形的冷卻，更加優(yōu)化且均勻，最終導(dǎo)致更高質(zhì)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?yàn)橐话銇碚f冷卻時(shí)間可占整個(gè)注塑周期的70%。

　　4)優(yōu)化工具更符合人體工學(xué)和提升性能

　　3D打印降低了驗(yàn)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(dòng)夾具和固定夾具。傳統(tǒng)上，由于重新設(shè)計(jì)和制造它們需要相當(dāng)?shù)馁M(fèi)用和精力，所以工具的設(shè)計(jì)和相應(yīng)的裝置總是盡可能地使用更長的時(shí)間。隨著3D打印技術(shù)的應(yīng)用，企業(yè)可以隨時(shí)對(duì)任何工具進(jìn)行翻新，而不僅限于那些已經(jīng)報(bào)廢和不符合要求的工具。

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

　　5)定制模具幫助實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的定制化

　　更短的生產(chǎn)周期、制造更為復(fù)雜幾何形狀、以及降低最終制造成本的能力，使得企業(yè)能夠制造大量的個(gè)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(chǎn)，比如醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療行業(yè)。它能夠?yàn)橥饪漆t(yī)生提供3D打印的個(gè)性化器械，如外科手術(shù)導(dǎo)板和工具，使他們能夠改善手術(shù)效果，減少手術(shù)時(shí)間。

　　那么3D打印會(huì)取代模具制造業(yè)嗎？

　　據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2015-2020年中國3D打印產(chǎn)業(yè)市場需求與投資潛力分析報(bào)告》，2010年時(shí)全球3D打印產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模接近13.25億美元，2011年這一數(shù)字增長至17.14億美元，但到2013年這一數(shù)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(duì)3D打印行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，不少人擔(dān)憂3D打印將直接取代模具制造業(yè)。相比于3D打印來說，模具制造的工藝流程需要經(jīng)過審圖、模架加工、模芯加工、電極加工、模具零件加工、檢驗(yàn)裝備、飛模之后才能進(jìn)行生產(chǎn)，工藝流程要復(fù)雜的多。而3D打印經(jīng)過建模軟件建模后，再截圖“切片”給打印機(jī)讀取橫截圖信息即可進(jìn)行打印生產(chǎn)。

　　不過也有業(yè)內(nèi)人士表示，在3D打印尚出于初步階段，對(duì)于壓鑄模和壓鑄件的模具企業(yè)來說，尚未構(gòu)成威脅。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院分析師孫海紅認(rèn)為，目前的3D打印技術(shù)并不適合批量生產(chǎn)，3D打印生產(chǎn)單件模型的成本和生產(chǎn)上萬件模具的成本基本相似，而傳統(tǒng)模具制造企業(yè)一旦規(guī)模化生產(chǎn)，就能顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

　　而且模具制造企業(yè)的生產(chǎn)時(shí)間要比3D打印的生產(chǎn)時(shí)間要少得多。盡管模具生產(chǎn)的前期準(zhǔn)備比較多，但一旦萬事俱備，僅需幾秒鐘就可以生產(chǎn)出一個(gè)產(chǎn)品，但現(xiàn)階段的3D打印機(jī)卻需要3個(gè)小時(shí)乃至更長的時(shí)間才能生產(chǎn)出一件產(chǎn)品。所以，現(xiàn)階段3D打印很難在批量化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中取代模具制造業(yè)。

　　不少企業(yè)家對(duì)于3D打印替代模具制造業(yè)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(guān)系。未來3D打印技術(shù)成熟，反而可以為模具制造企業(yè)所用，企業(yè)利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)低效益的產(chǎn)品，而將模具制造技術(shù)用于生產(chǎn)附加值高、精密制造的產(chǎn)品，比如航空航天器械和醫(yī)療器械，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。