模具行業(yè)是一個跨度非常大的行業(yè),它與制造業(yè)的各個領(lǐng)域都有關(guān)聯(lián)。在現(xiàn)代社會,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保證質(zhì)量。
CNC加工是在制造模具時最常用的技術(shù)。雖然它能夠提供高度可靠的結(jié)果,但同時也非常昂貴和費時。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。而通過增材制造(ALM,即3D打印)制作模具就成了一個極具吸引力的方法,因為模具一般都屬于小批量生產(chǎn)且形狀都比較復(fù)雜,很適合3D打印來完成。
如今,3D打印和各種打印材料(塑料、橡膠、復(fù)合材料、金屬、蠟、砂)已經(jīng)給許多行業(yè),如汽車、航空航天、醫(yī)療等帶來了很大的便利,很多企業(yè)都在其供應(yīng)鏈里集成了3D打印,這其中也包括模具制造。
模具制造的以下幾個環(huán)節(jié)是能夠用到3D打印技術(shù)的:
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)
鑄模(熔模、砂模、旋壓等...) 成型(熱成型,金屬液壓成型等...)
機械加工、裝配和檢驗(固定夾具、移動夾具、模塊化夾具等...)
機器人末端執(zhí)行器(夾手)
用3D打印制造模具有許多優(yōu)點:
1)模具生產(chǎn)周期縮短
3D打印模具縮短了整個產(chǎn)品開發(fā)周期,并成為驅(qū)動創(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,公司有時會選擇推遲或放棄產(chǎn)品的設(shè)計更新。通過降低模具的生產(chǎn)準備時間,以及使現(xiàn)有的設(shè)計工具能夠快速更新,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)計周期跟得上產(chǎn)品設(shè)計周期的步伐。
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)停滯風險的能力,比如從供應(yīng)商那里獲得不合適的模具。
例如圖(a)為隆源成型制造的缸蓋氣道和水套的組合芯,利用激光燒結(jié)技術(shù)一次燒結(jié)成型,提高了組模精度,成型時間僅用19小時。缸蓋外??捎脗鹘y(tǒng)方法制作,這樣就大大縮短了缸蓋的研發(fā)時間,從CAD設(shè)計到缸蓋鑄件圖(b)的完成只需約20天。
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(tǒng)的金屬制造工藝成本,那么成本的削減在塑料制品領(lǐng)域更容易實現(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)濟優(yōu)勢(因為這些產(chǎn)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(yōu)化的)更有經(jīng)濟優(yōu)勢。尤其是當使用的材料非常昂貴,而傳統(tǒng)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(yōu)勢。
此外,3D打印在幾個小時內(nèi)制造出精確模具的能力也會對制造流程和利潤產(chǎn)生積極的影響。尤其是當生產(chǎn)停機或模具庫存十分昂貴的時候。
最后,有時經(jīng)常會出現(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嘗試無數(shù)次的迭代,并可以減少因模具設(shè)計修改引起的前期成本。
3)模具設(shè)計的改進為終端產(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(shè)計。當目標部件由幾個子部件組成時,3D打印具有整合設(shè)計,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打印可以實現(xiàn)任意形狀的冷卻通道,以確保實現(xiàn)隨形的冷卻,更加優(yōu)化且均勻,最終導致更高質(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,因為一般來說冷卻時間最高可占整個注塑周期的70%。
4)優(yōu)化工具更符合人體工學和提升最低性能
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(tǒng)上,由于重新設(shè)計和制造它們需要相當?shù)?/span>費用和精力,所以工具的設(shè)計和相應(yīng)的裝置總是盡可能地使用更長的時間。隨著3D打印技術(shù)的應(yīng)用,企業(yè)可以隨時對任何工具進行翻新,而不僅限于那些已經(jīng)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(yōu)化以獲得更好的邊際性能變得更加經(jīng)濟。于是技術(shù)人員可以在設(shè)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(yōu)化工具設(shè)計,也可以減少零件的廢品率。
5)定制模具幫助實現(xiàn)最終產(chǎn)品的定制化
更短的生產(chǎn)周期、制造更為復(fù)雜的幾何形狀,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)。它能夠為外科醫(yī)生提供3D打印的個性化器械,如外科手術(shù)導板和工具,使他們能夠改善手術(shù)效果,減少手術(shù)時間。
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