嘿，我是曾巴里。我在制造业工作了 12 年 YOVUTEK，如果说有一件事真正改变了我对模具制造的看法，那就是 3D 打印。我仍然记得我们第一次在注塑模具中使用 3D 打印嵌件的情景。我们正在为一家医疗设备客户生产少量零件——只有 200 件。传统的钢模具成本为 15,000 美元，耗时六周。我们花了 800 美元在三天内打印了插页。零件很完美。那一刻改变了我的一切。在本指南中，我想引导您了解如何使用 3D 打印 注塑成型 — 从快速原型制作到小批量生产。没有编号列表。只是来自我车间的真实故事和切实有效的实用建议。喝杯咖啡，让我们开始吧。
如何使用 3D 打印进行注塑成型
这是关于的事情 注塑成型 - 这是批量生产塑料零件的最佳方式，但模具的前期成本可能非常高昂。一个钢模具的成本从 10,000 美元到超过 100,000 美元不等，而且制作需要数周时间。如果您正在制作原型或需要小批量零件，那么在您知道您的设计是否有效之前就需要投入大量资金。 3D 打印改变了这一现状。您无需使用实心钢块加工模具，而是使用光聚合物树脂、尼龙或在某些情况下使用金属粉末 3D 打印模具嵌件，甚至整个模具型腔。结果可能令人印象深刻，但这并不是一个万能的解决方案。在本指南中，我将向您介绍它的工作原理、使用什么材料以及何时走这条路有意义。
我意识到钢铁并不总是答案的那一天
在我职业生涯的早期，我坚信真正的注塑成型需要真正的钢模具。我见过太多廉价塑料模具在第一次注射时就失败了。但后来一位客户向我们提出了一个问题：他们需要 50 个零件来进行产品测试活动。这些零件很复杂——薄壁、严格的公差和棘手的几何形状。一个钢模具的成本为 12,000 美元，耗时八周。客户的预算为 2,000 美元，他们在两周内需要零件。
从那时起我开始研究 3D 打印模具嵌件。我们在 SLA 打印机上使用高温光聚合物树脂打印了插入件。我们将其安装在主模架中，在低压下运行注塑机，并生产了 50 个零件。它们并不完美——表面光洁度有点粗糙，我们必须小心冷却——但它们确实有效。客户收到了他们的零件，测试成功，他们最终订购了钢模具进行全面生产。那次经历告诉我，3D 打印可以 注塑成型 不是钢制工具的替代品——它是适合产品开发特定阶段的补充工具。
注塑成型 3D 打印的三种方法
多年来，我一直使用 3D 打印 注塑成型 以三种不同的方式。每个都有自己的优势和最佳用例。
1. 快速模具——3D打印模具嵌件
这是最常见的方法，也是我用得最多的方法。您可以使用聚合物树脂或尼龙打印模具型腔或仅打印型芯，然后将其安装在主模具框架中。框架将嵌件固定到位并提供弹出系统和冷却连接。刀片本身是牺牲性的——根据材料和工艺条件，它会在 50 到 500 次注射后磨损。对 67 项研究的系统回顾发现，材料喷射 (PolyJet) 插入件通常可持续约 100 个周期，还原光聚合 (SLA) 插入件可达 85 个周期，金属增材制造插入件（激光粉末床熔融）可超过 500 个周期 [引用：10]。对于许多应用来说，更换磨损的镶件比维护钢模具更便宜。
2. 随形冷却通道
3D 打印真正大放异彩的领域之一是随形冷却。传统的冷却通道是直线钻孔的，这意味着它们无法遵循复杂零件的形状。通过金属 3D 打印，您可以创建弯曲和扭曲的冷却通道，以匹配零件的几何形状。研究表明，随形冷却可减少高达 66% 的冷却时间并提高温度均匀性 [引用：11][引用：8]。一项研究发现，与传统直通道相比，3D 打印随形冷却将循环时间缩短了 28.7% [引用：8]。
3. 3D打印热流道
这是最前沿的。热流道系统使塑料在从注射喷嘴流向型腔时保持熔融状态。传统上，它们是由钢加工而成。但最近 Hasco、Arburg 和 Polar‑Form 之间的一个合作项目展示了一种 3D 打印热流道系统，该系统能够在具有 32 个型腔的紧凑型系列模具中进行双色注塑 — 所有这些都在非常狭小的空间内进行 [引用：1][引用：6]。 3D 打印的热流道至关重要，因为这种尺寸的传统热流道根本无法通过传统方式制造。该项目表明 3D 打印可以实现以前不可能的模具设计 [引用：6]。
选择正确的 3D 打印工艺
并非所有 3D 打印工艺都是一样的 注塑成型 工具。以下是我对主要选项的了解：
SLA 和材料喷射 (PolyJet)
这些工艺可提供最佳的表面光洁度，这意味着您可以直接从模具中获得更光滑的零件 [引用：10]。它们非常适合表面质量很重要的原型和短期生产。权衡？热性能有限，刀片寿命较短——通常为 50 到 100 次注射 [引用：10]。数字 ABS 是适用于该应用的经过商业验证的材料 [引用：10]。
FDM（熔融沉积成型）
FDM 是最便宜的选择，您可以在台式机上打印插页。一项比较用于注塑嵌件的不同 FDM 材料的研究发现，ABS 和碳纤维增强 PLA 是最可持续的选择，在尺寸稳定性和 50 次注射后的型腔退化方面优于标准 PLA 和尼龙 [引用：5]。收获是什么？ FDM 嵌件的表面光洁度较差，并且可能在压力下分层 [引用：10]。它们最适合表面质量不那么重要的小批量运行。
金属增材制造（激光粉末床熔融）
如果您需要耐用超过 500 次射击的刀片，金属增材制造是您的最佳选择 [引用：10]。它提供更好的热性能和机械性能，并且您可以将随形冷却通道直接集成到嵌件中 [引用：3]。无论是在机器成本还是材料方面，它都很昂贵，但对于数百个零件的短期生产来说，与传统加工相比，它可以具有成本效益[引用：2]。
挑战——您需要注意什么
如果我说 3D 打印插件总是很简单，那我就是在撒谎。存在挑战。这是我通过艰难的方式学到的东西：
表面质量很重要。 嵌件的表面光洁度直接转移到模制零件上。如果您的打印件有层线，您的零件也会有层线。后处理——打磨、抛光或涂层——会有所帮助，但会增加时间和成本[引用：10]。
热管理至关重要。 聚合物嵌件无法承受与钢相同的温度。如果在标准注塑温度下运行它们，它们会很快降解。使用聚合物嵌件时，您需要降低注射压力、模具温度和注射温度 [引用：10]。
刀片寿命是不可预测的。 根据您需要的零件数量，您可能需要多个嵌件而不是一个钢模 [引用：2]。研究表明，增材制造刀片对于试生产来说具有成本效益，但难以可靠地预测其使用寿命 [引用：2]。
弹出可能很棘手。 3D 打印嵌件比钢更脆弱。标准顶针可能会损坏它们。我们开发了一种快速更换顶出系统，该系统使用标准零件，不需要将销钉切割到一定长度 - 它为我们节省了数小时的设置时间 [引用：7]。
一个关于成本降低 10 倍的零件的故事
几年前，一家初创公司向我们提出了一种消费产品的设计——一种具有复杂内部功能的小型外壳。他们需要 200 个零件来开展众筹活动。钢模具报价为 14,000 美元。他们有 3,000 美元可花。
我们使用高温 SLA 树脂打印了一个嵌件，将其安装在主模具中，并在嵌件开始出现磨损迹象之前生产了 250 个零件。这些部件很好——虽然并不完美，但对于他们的竞选活动来说已经足够好了。总成本：1,200 美元。比钢模具便宜90%。
六个月后，当他们的活动取得成功后，他们回来订购了一个钢模具。我们制作了他们的生产工具 - 因为 3D 打印插件从来都不是最终的解决方案。这是一座桥梁，一种快速、廉价地进入市场的方式，同时又不影响最终质量。
12年后我学到了什么
如果我必须将我所学到的关于使用 3D 打印的所有知识归结为 注塑成型，那就是这样的：
- 3D 打印插件是一座桥梁。 它们不能替代钢铁。将它们用于原型、小批量生产和设计验证。
- 了解你的材料。 Digital ABS 和 Rigid 10K 经过商业验证，可用于注塑成型嵌件。其他材料仍处于实验阶段 [引用：10]。
- 使用随形冷却。 即使您仅使用刀片进行 100 次注射，随形冷却也可以缩短周期时间并提高零件质量 [引用：3]。
- 注意您的工艺参数。 降低注射压力、降低模具温度、降低注射温度。聚合物嵌件无法处理与钢相同的条件[引用：10]。
- 计划多次插入。 如果您需要 500 个零件，而您的嵌件只能持续 100 次注射，请设计主模具以实现快速嵌件更换。
让我们谈谈您的项目
如果您正在考虑为下一个注塑项目使用 3D 打印，我很乐意看一下。将您的 CAD 文件或图纸发送给我。我将审查您的设计，推荐最佳方法 - SLA 嵌件、金属增材制造或其他方法 - 并在 24 小时内为您提供免费的 DFM 报告和报价。没有机器人，没有语音信箱。只有我和我的诚实意见。
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附：当您发送电子邮件时提及“3D 成型指南”，我将向您发送我的用于设计 3D 打印注塑镶件的个人清单。它为我的客户节省了数千美元。而且它是免费的。因为我就是这样的好人。
曾巴里
YOVUTEK 高级制造工程师
（在注塑和增材制造方面拥有 12 年经验。我打印过从医疗设备到消费品的各种插入件。我也可以为您提供帮助。）