高性能3D打印替代注塑？數(shù)字化工廠白皮書下載

南極熊導(dǎo)讀：注塑工藝作為主流制造方式為生活和制造業(yè)各環(huán)節(jié)提供了成千上萬的塑料制品，從發(fā)明至今近150年來關(guān)于注塑成型有一件事從未改變：對(duì)模具的需求。雖然CNC和3D打印技術(shù)的介入使模具的制造過程日漸快捷，但復(fù)雜的模具制造過程和工藝挑戰(zhàn)始終伴隨左右。

增材制造作為新興技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于原型制造，隨著技術(shù)發(fā)展和材料進(jìn)步，增材制造被越來越多地應(yīng)用于批量化直接生產(chǎn)。那么什么是增材制造的數(shù)字化生產(chǎn)？是一字排開N多臺(tái)的3D打印機(jī)工廠，還是設(shè)計(jì)管理軟件的大規(guī)�；ヂ�(lián)？如果把增材數(shù)字化工廠跟傳統(tǒng)注塑成型工廠對(duì)比，各自優(yōu)勢(shì)在哪里？
技術(shù)、材料、成本以及管理的取舍決定了注塑企業(yè)的核心競(jìng)爭力。

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一份來自行業(yè)巨頭3D Systems的數(shù)字工廠白皮書中也許能找到想要的答案，試著回答這個(gè)問題，先看看兩者是如何運(yùn)作的：

Part1：注塑工藝是怎么運(yùn)作的？

一、注塑成型
注塑成型（Injection Molding）是將已加熱融化的材料噴射注入到模具內(nèi)，經(jīng)由冷卻和固化后，得到成形塑料制品的方法。適用于量產(chǎn)形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。

二、制造模具
注塑模具的設(shè)計(jì)過程十分嚴(yán)謹(jǐn)耗時(shí)，從產(chǎn)品評(píng)估、模流分析、排位到設(shè)計(jì)修改，短則一周，長則月余。模具加工工藝歷經(jīng)粗加工、精加工以及拋光等多道工藝，耗時(shí)較長啟動(dòng)成本攀升。

三、注塑成型
注塑過程包含開關(guān)安全門、鎖模、注射保壓、冷卻、開模、取出等主要步驟，重復(fù)執(zhí)行作業(yè)流程以連續(xù)生產(chǎn)。這個(gè)過程是材料、設(shè)備、模具和參數(shù)設(shè)置的綜合管理，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和與之配套的后處理工藝。

四、常見問題
上機(jī)注塑的過程中，工程師們時(shí)常面臨來自工藝的挑戰(zhàn)：

• 外觀問題：凹痕、銀紋、氣泡、龜裂、分割線段差等。
• 工藝問題：充填不滿、分型面飛邊過大、粘模、不正常推出
• 性能問題：以及翹曲、應(yīng)力、密度不均勻等。
  

工藝參數(shù)較易調(diào)整，有些性能問題的成因可能來自多個(gè)方面：材料、設(shè)備、模具。
快速找到癥結(jié)往往需要資深專家的診斷。如果模具本身需要調(diào)整，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本讓人頭疼，小批量訂單面臨更高風(fēng)險(xiǎn)。

Part2：增材制造數(shù)字工廠是如何運(yùn)行的？

一、數(shù)字化設(shè)計(jì)
直接使用CAD/CAM 軟件設(shè)計(jì)最終成品件而非模具，3D打印可滿足設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)功能或結(jié)構(gòu)要求，如有機(jī)或復(fù)雜的內(nèi)部型腔、減少的部件數(shù)量以及使用更高強(qiáng)度的增材制造輕質(zhì)材料，適用于幾乎所有結(jié)構(gòu)。

二、原型或生產(chǎn)式打印
3D 打印已經(jīng)成為普遍的生產(chǎn)原型和短期生產(chǎn)用部件的方法，源于它節(jié)省了模具的制造時(shí)間和成本。讀取CAD/CAM數(shù)據(jù)后即可以24/7不間斷工作。無需專人值守，無模具損壞風(fēng)險(xiǎn)。多件塑料制品從成型平臺(tái)上拔地而起，速度以每分鐘毫米計(jì)算。

三、成品管理
軟件設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)工廠本地操作和智能支持，并通過網(wǎng)絡(luò)和云連接進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，促進(jìn)智能制造的高效數(shù)據(jù)交換。機(jī)械臂將部件從樹脂桶中快速拉出完成洗滌、干燥和固化操作。數(shù)字檢測(cè)也可以集成到打印平臺(tái)中，通過傳感器和三維掃描件實(shí)踐工業(yè)4.0策略。結(jié)合打印管理軟件，數(shù)字化工廠可使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如 MTConnect 和OPC 統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)）進(jìn)行實(shí)時(shí)通信�？梢�(guī)模擴(kuò)展并可在自動(dòng)化生產(chǎn)線中運(yùn)行。處理長期或短期批次、允許不同生產(chǎn)部件的快速切換。使制造商能夠快速迭代設(shè)計(jì)并立即生產(chǎn)最終用途零件。

數(shù)字化工廠流程示意圖

數(shù)字化、模擬制造和檢測(cè)生產(chǎn)出的塑料或金屬件，將生產(chǎn)工藝從對(duì)模具加工的需求中解放出來，為企業(yè)生產(chǎn)提供兼具靈活性和產(chǎn)能的制造模式。

四、常見問題
增材制造數(shù)字化工廠較為適合小批量訂單的生產(chǎn)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)件定制，有其適用區(qū)間需基于每個(gè)企業(yè)的特點(diǎn)定量評(píng)估。另外全新的數(shù)字化生產(chǎn)方式需要企業(yè)采納與之匹配的端到端管理技能。

Part3：基于成本和效率的選擇

沒有一種解決方案是完美的，工藝的選擇離不開經(jīng)濟(jì)效益的考量。當(dāng)需要數(shù)十萬產(chǎn)量時(shí)，模具+注塑仍然是優(yōu)先選擇。價(jià)值數(shù)萬元的模具除以幾十萬，模具成本降至單件幾毛錢、注塑材料的價(jià)格優(yōu)勢(shì)將隨著制造量的提升而漸具優(yōu)勢(shì)。另一方面，當(dāng)訂單數(shù)量為2,000 以內(nèi)的小批量制造，增材制造數(shù)字化工廠將擁有顯著優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，每個(gè)注塑成型的部件成本可能是增材制造數(shù)字化生產(chǎn)的 10 到100 倍。

除了傳統(tǒng)注塑成型部件的實(shí)際生產(chǎn)成本外，還有其他財(cái)務(wù)因素需要考慮，例如勞動(dòng)力成本和供應(yīng)鏈管理：額外人工、材料和 CNC 加工、測(cè)試費(fèi)用等。3D打印數(shù)字化生產(chǎn)降低了邊際成本，如果產(chǎn)品的外觀和功能都未如預(yù)期，可隨時(shí)在 CAD內(nèi)修改并立即制造——不需要設(shè)計(jì)新模具。

Part4：材料才是關(guān)鍵

增材制造數(shù)字化工廠的功能日趨完善，但能否管用還得看材料性能,最重要的放在最后，看看有哪些數(shù)字化工廠的打印材料值得劃重點(diǎn)吧：

Figure 4™ PRO-BLK 10
一種生產(chǎn)級(jí)增材制造材料，具有顛覆性的熱塑塑料類機(jī)械特性和環(huán)境穩(wěn)定性，可用于塑料部件的直接生產(chǎn)。該材料可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60 毫米/小時(shí)的快速打印
速度，并簡化了包括單一固化周期和單一溶劑清洗的后處理過程，可實(shí)現(xiàn)卓越的吞吐量。
它是一種高精度的樹脂制造部件，表面光潔度好，側(cè)壁質(zhì)量優(yōu)異，具有卓越的機(jī)械性能。
• 環(huán)境穩(wěn)定性意味著部件在機(jī)械性能、顏色、不透明度和尺寸方面可長久保持一致
• 打印速度高達(dá) 60 毫米/小時(shí)，層厚 50 μm
• 無二次熱固化后處理，使之成為一種簡單有效的無模具生產(chǎn)方法

Figure 4™ HI TEMP 300-AMB
一種適用于需高耐熱性應(yīng)用的耐超高溫塑料。無論是高壓還是低壓環(huán)境，其 HDT 都在 300 攝氏度以上（0.455和 1.82MPa 下測(cè)得的 HDT 數(shù)值）。這種材料非常適合用于高溫元件的測(cè)試，包括暖通空調(diào)、家用電器、電機(jī)外殼、吹風(fēng)機(jī)等。
• HDT 超過 300˚C
• 無二次熱固化后處理

Figure 4™ MED-WHT 10 和 Figure 4™ MED AMB 10
分別為剛性白色和半透明琥珀色生物相容性材料。這兩種材料都推薦用于需要滅菌的一般醫(yī)療應(yīng)用，并且都能承受高溫，這使它們成為許多高溫工業(yè)應(yīng)用的良好候選材料。Figure 4™ MED-AMB 10 的半透明性也使其成為需要流體流動(dòng)可視化應(yīng)用的良好選擇。
• 滿足 ISO 10993-1 生物相容性標(biāo)準(zhǔn)
• 耐受 100˚C 以上的高溫
• 可使用高壓滅菌器滅菌xcx

Figure 4™ EGGSHELL-AMB 10
一種工藝優(yōu)化材料，用于生產(chǎn)鑄造各種硬度的硅膠部件所用的損耗模型。它專門設(shè)計(jì)為可承受高溫高壓下的液體硅膠注射；模具填充和冷卻后，其經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的脆性使其易于從硅膠中剝離。它的琥珀色使得操作人員可看到硅膠的注塑過程，它也具有很高的 HDT、高抗拉模量和較低的斷裂伸長率，這些都是首選的可注塑模具的性能。
• 專為承受高溫高壓下的硅膠注塑而設(shè)計(jì)；
• 模型固定后易于剝離
• 良好的表面光潔度，移除模具后無殘留

Figure 4™ JCAST-GRN 10

一種高對(duì)比度的綠色材料，在直接鑄造應(yīng)用中可輕松燃燒而無有害殘留。該材料是專為珠寶鑄造專業(yè)人員設(shè)計(jì)的，有助于快速生產(chǎn)精確、可復(fù)制的和細(xì)節(jié)精細(xì)的母模用于鑄造。
• 適用于各種貴金屬
• 模型穩(wěn)定度高，可運(yùn)輸
• 在無模具的情況下直接用于鑄造

視頻資料，建議WiFi觀看

增材制造數(shù)字化工廠的相關(guān)知識(shí)就先介紹到這里了�？梢钥闯觯�隨著材料、設(shè)備的發(fā)展日趨成熟。增材制造業(yè)適應(yīng)小批量生產(chǎn)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件制造，為各行業(yè)的無模制造和批量生產(chǎn)帶來了新的速度、準(zhǔn)確性、強(qiáng)度和耐久性，而之前只能耗費(fèi)更多時(shí)間通過傳統(tǒng)注塑等手段獲得。3D打印技術(shù)匹配屬性杰出的工業(yè)級(jí)材料，即使小工廠也能獲得大助益！

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