嘿，我是曾巴里。我在制造业工作了 12 年 YOVUTEK，如果说我对微小塑料部件了解了一件事的话，那就是：FDM 3D 打印在制造它们方面很糟糕。挤出宽度太大。喷嘴尺寸小至 0.2 毫米，但这仍然是厚厚的塑料珠，无法捕捉微型零件的精细细节 [引用：5]。专业制造商使用注塑成型来制造小型、精细的零件，但钢模具的成本高达数万美元，并且需要数周时间才能制造[引用：11]。那么，当您的原型需要 50 个微小零件且预算为 500 美元时，您会怎么做？您可以 3D 打印模具 [引用：2]。这就是我今天要讲的。不是理论。不是教科书。使用 3D 打印机对微小物体进行注塑成型的真实、实用的方法。喝杯咖啡，让我们开始吧。
使用 3D 打印机注射成型微小物体
这是关于注塑微小零件的问题——模具始终是瓶颈。传统钢模具制造微型零件需要长达 20 周的时间，而且客户通常必须接受 ±30 µm 的公差，因为精密模具非常昂贵 [引用：3][引用：9]。但当你 3D 打印 注塑模具，您可以在几天内从 CAD 文件转换为零件。以及精度？ 2PP（双光子聚合）3D 打印可以创建特征小至 200 nm 且公差低于 1 µm 的模具 [引用：3][引用：9]。使用桌面 FDM 打印机无法实现这一点，但如果您知道自己在做什么，则可以使用 SLA、DLP 甚至 FDM 获得令人惊讶的良好结果。
我意识到微小零件需要不同方法的那一天
我记得第一次有人要求我制作一个微小的塑料零件。它是一款用于声学应用的微型扩散器 — 70 µm 特征、复杂的内部几何形状 [引用：3]。我尝试过 FDM。喷嘴比特征更大。我尝试过 SLA。印刷很漂亮，但零件很脆弱，层间附着力也很弱。客户看着我说：“巴里，他们是如何生产这些东西的？”
从那时起我开始研究微注射成型。像威猛巴顿菲尔 MicroPower 15 这样的专业微型成型机已经存在了大约二十年[引用：9]。它们非常精确，但模腔是瓶颈。传统的微模具制造需要长达 20 周的时间 [引用：3]。但是，当您将微注塑成型与 3D 打印模具相结合时，您可以将时间缩短至两周 [引用：9]。
这就是突破。这改变了我对微小零件的看法。
3D 打印微小物体注塑模具的三种方法
多年来，我一直使用 3D 打印来制作微型产品 注塑模具 以三种不同的方式进行项目。每个人都有自己的优势。
1.直接3D打印模具（SLA/DLP）
对于大多数人来说，这是最实用的方法。您可以使用高温树脂打印模具型腔，例如 Formlabs 的 Rigid 10K Resin（热变形温度为 218°C）[引用：7]。然后将模具安装在铝框架中作为支撑[引用：2]。通过适当的设计，单个 3D 打印 注塑模具 可以交付 30 到 100 多个循环的高质量零件 [引用：2]。
我自己测试过这个。关键是在减压下注射并在循环之间留出足够的冷却时间 [引用：2]。 SLA 和 DLP 模具具有出色的表面光洁度（比 FDM 好得多），因此零件成型后非常光滑。缺点是什么？聚合物嵌件无法承受与钢相同的温度。但对于微小零件，这通常不是问题，因为注射量很小。
2. 2PP µ-3D 打印（用于微型零件）
如果您需要 100 µm 以下的功能 — 想想具有 5 µm 尖端的微针、20 µm 以下的微喷嘴或具有 70 µm 细节的微扩散器 — 2PP（双光子聚合）是最佳选择 [引用：3][引用：9]。这不是桌面技术。这是一种工业流程，使用飞秒激光在焦点处固化树脂，实现低于 1 µm 的公差和优于 10 nm 的表面光洁度 [引用：9]。
奥地利初创公司 NanoVoxel 将 2PP µ-3D 打印与 Wittmann Battenfeld MicroPower 15 微型注塑机相结合，可在两周内生产出高精度微型零件 [引用：9]。这只是传统微型模具 20 周交货时间的一小部分 [引用：3]。这是尖端的东西，它已经被用于生物医学和消费电子应用[引用：9]。
3. FDM 印刷模具（适合预算有限的人）
这是我见过的爱好者和初创公司使用的方法。您可以在 FDM 打印机上用 PETG-CF 或类似材料打印模具，在其上涂上脱模喷雾，然后注入塑料 [引用：11]。 Manuel Maeder 通过他的 TARS（微型自动回收系统）桌面注塑机演示了这一点 [引用：11]。
局限性很大。 FDM 模具的层线会转移到零件上，它们变形很快，而且不太可能经受十几个周期的考验 [引用：11]。但对于小批量（10 到 50 个零件）来说，它可以发挥作用并为您节省一笔小钱 [引用：11]。正如一位评论员指出的那样，在该应用中，树脂 3D 打印将比 FDM 得到显着改进 [引用：11]。
失核技术——一颗隐藏的宝石
这是一项没有引起足够重视的技术。而不是 3D 打印整个 注塑模具，您只打印内部核心——创建空心内部特征的部分[引用：6]。您将聚合物包覆成型在 3D 打印的核心周围，脱模后，将核心溶解在溶剂中 [引用：6]。
这就是失核技术。它已在宏观铸造中使用多年，但研究人员现在将其应用于内部空心特征的微注塑成型 [引用：6]。在此应用中，DLP 打印比 FDM 具有明显的优势，因为它具有更高的分辨率和更好的表面质量 [引用：6]。
优势？您可以创建任何其他技术都无法实现的内部空心结构。对于小批量生产，仅打印核心比打印整个模具更快[引用：6]。
实际挑战——我学到了什么
我已经这样做了足够长的时间，知道理论和实践是两件不同的事情。以下是我学到的有关 3D 打印的知识 注塑模具 项目实际工作：
表面光洁度就是一切
模具的表面光洁度直接转移到零件上。通过 FDM，您可以获得层线。通过 SLA/DLP，您可以获得更光滑的表面。打磨和抛光模具型腔会有所帮助，但无法完全消除层线 [引用：2]。对于微小零件，0.1 毫米厚的层线就很重要。
闸门设计至关重要
这是我从 CNC Kitchen 的 Stefan 那里学到的。他尝试使用 FDM 挤出机将 PLA 注入 3D 打印模具，塑料在凝固之前几乎没有进入模具 [引用：7]。解决方案是什么？打开注射浇口以降低压力，添加排气口以改善流动，并预热模具 [引用：7]。专业评论家指出，浇口的位置也很重要——浇口应该穿过模具的一侧，而不是在两半之间[引用：7]。
热管理是一个挑战
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。您需要降低注射压力、模具温度和注射温度 [引用：2]。一项关于聚合物快速模具镶件的研究强调了使用热变形温度 (HDT) 足够高的材料的重要性 — 低于 95°C，镶件在注射过程中往往会失效 [引用：6]。刚性 10K 树脂的 HDT 为 218°C，这就是它起作用的原因 [引用：7]。
您可以期待多少次拍摄？
这是一个价值百万美元的问题。根据我的经验和我所看到的研究：
- SLA/DLP 模具（刚性 10K 树脂）： 30 至 100 多个周期 [引用：2]
- SLA 模具（高温树脂）： 100+ 循环 [引用：10]
- FDM 模具 (PETG-CF)： 可能不到十几个周期[引用：11]
- 2PP微型模具： 取决于材料，但设计用于工业用途 [引用：9]
相比之下，标准钢注塑模具可以持续数百万次循环。但对于原型和小批量生产，您不需要数百万美元。您需要 50 到 500 个零件。 3D 打印模具可以实现这一点。
一个关于改变一切的小部件的故事
几年前，一家医疗设备初创公司向我们提出了一个问题。他们需要微针——具有 5 µm 尖端的微小空心结构 [引用：3][引用：9]。传统的制造方法无法做到这一点。 CNC无法达到这些特征。电火花加工无法加工空心结构。 SLA 没有解决方案。
我们使用 2PP µ-3D 打印来创建注塑模具嵌件。该模具安装在微型注塑机中，我们在两周内生产了零件[引用：9]。客户一直持怀疑态度，直到他们把零件拿到手上。他们说：“我认为这是不可能的。”我说：“现在你知道了。”
这就是将 3D 打印与微小零件注塑成型相结合的力量。它开启了以前根本不存在的可能性。
何时应使用 3D 打印模具与直接打印零件？
我总是收到这个问题。这是我的经验法则：
- 直接3D打印 如果您需要在 24-48 小时内交付零件，或者设计极其复杂且不需要复制，则更好 [引用：8]
- 3D打印注塑 如果您需要生产级材料中的 30 到 500 个相同零件，则更好 [引用：2]
- 适用于 5g 以下的微小零件，即使使用 3D 打印模具，直接打印也比注塑成型更具成本效益 [引用：8]
2021 年的一项 IPC 研究发现，使用 Rigid 10K Resin 3D 打印注塑模具可以将小批量生产的成本降低 80-90% [引用：4]。这可不是一个小数目。这就是有意义的项目和无意义的项目之间的区别。
让我们来谈谈你的小部分
如果您正在制作一个微小的塑料零件，并且不确定如何制作它，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 插入件、2PP 微模具或其他方法 - 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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曾巴里
YOVUTEK 高级制造工程师
（在注塑成型和增材制造方面拥有 12 年经验。我制造了你难以置信的微小零件。我也可以帮助你。）