模具與3D打印的技術(shù)對比

我叫查鴻達，1981年從江蘇大學(xué)畢業(yè)后，開始從事給排水行業(yè)的塑料管接頭注塑模具的研發(fā)和制造。曾經(jīng)是中國第一家專業(yè)塑料管接頭模具廠的廠長（武進管件模具廠）。隨著全球水處理和供水工程的發(fā)展，傳統(tǒng)的HDPE管接頭迎來了市場需求的巨大挑戰(zhàn)。

常規(guī)的400mm以下的HDPE管接頭的注塑成型工藝已經(jīng)遠遠跟不上市場的需求了。但是由于全球環(huán)境治理的需要，目前對于630mm以上的HDPE管接頭有很大的需求，由于受到注塑成型條件的限制，630mm以上管接頭的生產(chǎn)有較大的困難，而且由于系列產(chǎn)品的品種規(guī)格繁多，成批生產(chǎn)時需要很多套模具和大型注塑機，需要大量資金的投入，據(jù)資料統(tǒng)計，生產(chǎn)630mm以下全套HDPE管接頭，需要模具和注塑機投入資金1.8億元人民幣以上。



目前國內(nèi)有條件生產(chǎn)630mm以下管接頭的企業(yè)僅為3家。能做到800mm系列的僅為一家（中國江蘇江陰大金公司）。最大產(chǎn)品（800正三通）的重量為94千克。這對于全球水處理系統(tǒng)工程的需求，是遠遠不夠的。譬如直徑1200mm的正三通的重量是530千克，按計算需要18萬噸的注塑機才勉強可以注塑成型，這顯然是不可能的，因為目前地球上最大的注塑機是6800噸。所以目前只能用焊接的塑料管接頭來替代，但是這隱藏著巨大的安全隱患，一旦泄漏，后果不堪設(shè)想。

我有一個想法，不用注塑工藝、不用注塑模具來制造超大型HDPE管接頭。這個想法已經(jīng)在我心里醞釀了多年，未有機會和條件進行研發(fā)。在深圳精森源模具集團和常州鴻圖塑業(yè)的大力支持下，我從2014年開始研發(fā)，進行了實實在在的試驗，目前已經(jīng)取得了基本的成功，在這里和各位同行分享。希望能夠拋磚引玉。

我的基本思路是，先用HDPE塑料進行3D打印成型，然后用增壓的方法，改變HDPE的高分子排列，增加3D打印成型的HDPE管接頭的密度，使其達到國家標(biāo)準(zhǔn)的HDPE管接頭的各項物理指標(biāo)。

我以前對塑料3D打印有一些淺薄的了解，準(zhǔn)確的說法是熔融層積技術(shù)，就是利用3D打印機，按我們需要的零件形狀的3D數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成的程序，將熔融的塑料一層一層地刷涂在3D打印機的臺面（熱床）上，塑料凝固后便得到了我們需要的塑料零件。我們常用的塑料是ABS和PLA，這些材料要被加工成規(guī)定直徑的線材，3D打印機就可以進行工作。這已經(jīng)是一項非常普及的技術(shù)，一般的中學(xué)生都可以做到。

但是當(dāng)我們真正的深入到具體的3D打印時，卻出現(xiàn)了我們意想不到的情況。首先是市場上根本買不到HDPE的線材，我們搜遍了整個國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)，都沒有找到HDPE線材。我們詢問了制作專供3D打印用的塑料線材的廠家，為什么不生產(chǎn)HDPE線材，得到的回答使我非常吃驚，說是HDPE塑料根本不可能進行3D打印，原因很簡單，HDPE塑料的收縮率太大了。

我們咨詢了網(wǎng)絡(luò)上可以找到的所有國內(nèi)外的3D打印公司，向他們請教，包括最著名的Stratasys公司，得到的答復(fù)都是一樣的，HDPE的收縮率太大，不可能進行3D打印。這樣的結(jié)果，對于我當(dāng)初這個設(shè)想，豈不是直接畫上了句號，后面的增加密度的計劃更不用談了。我經(jīng)過冷靜的分析后認(rèn)為，HDPE塑料不能進行3D打印的真正的原因，是因為在3D打印領(lǐng)域內(nèi)，HDPE塑料制品沒有市場的需求，沒有人會花深入的功夫去研究去嘗試。


但是對于繞開用注塑成型工藝來制造超大型HDPE管接頭，按我的設(shè)想，假如能夠成功，這是最直接，最經(jīng)濟實惠，最有效的方法。我說服了做塑料線材的公司，幫我加工了HDPE塑料的線材。經(jīng)過整個團隊的不懈努力，最后終于成功地完成了HDPE塑料3D打印的任務(wù)。我在這里簡單地向大家介紹一下我們研發(fā)HDPE塑料3D打印的情況，和大家一起分享我們的成功經(jīng)驗。

HDPE塑料3D打印的第一個關(guān)鍵問題是“著床”的問題，塑料3D打印機的工作臺面稱為“熱床”（Heat bed),進行3D打印時，3D打印機的噴頭將熔融的HDPE塑料擠出來，在擠出的過程中噴頭會按我們所需的零件的數(shù)字模型生成的程序運動，將熔融的HDPE塑料涂刷在3D打印機的被加熱到規(guī)定溫度的熱床上，被擠出的熔融的塑料的厚度是可以設(shè)定的，問題是在噴頭涂刷滿了第一層后，要開始刷第二層時，凝固的第一層HDPE塑料便會收縮，收縮的程度很大，在2%以上，這時，第一層塑料就會卷起來。本來第二層塑料是要刷圖在凝固的第一層塑料上的，由于第一層塑料卷起來了，第二層塑料就沒有了著落的地方，3D打印工作就不能繼續(xù)進行下去了。可以肯定，其他的3D打印公司告訴我HDPE塑料不可以進行3D打印的結(jié)果，一定是遇到了我上面描述的情況。

我們仔細研究了3D打印機的熱床，（臺面），它是一塊磨砂的玻璃，3D打印工作開始前被加熱到規(guī)定的溫度。假如是收縮率很小的塑料，譬如ABS,自然會粘附在上面�？墒荋DPE塑料的收縮率大，加熱后的磨砂玻璃和熔融的HDPE塑料之間的粘附力，遠遠沒有被噴頭擠出的第一層HDPE塑料凝固后由于收縮產(chǎn)生的力大。所以凝固后的HDPE塑料不會粘附在磨砂玻璃上，會自然地卷起來。后來我們將磨砂玻璃換成鋼板，在鋼板上鉆了密密麻麻的的孔，而且這些孔都是有倒扣的，在3D打印機的噴頭擠出的熔融的HDPE塑料刷涂在臺面上時，有一部分熔融的HDPE塑料就被擠到了小孔里，由于小孔是倒扣的，小孔中凝固后的塑料便會緊緊地扒在臺面上。很多小孔中的凝固的塑料合成了巨大的力，3D打印機的噴頭涂刷的第一層塑料就不會卷起來，3D打印機的工作就可以繼續(xù)進行下去了。但是當(dāng)3D打印出來的HDPE塑料到達一定的厚度后，客觀存在的收縮率產(chǎn)生的巨大的拉力，會將用鋼板做的臺面拉彎，非�？鋸埖睦瓘潯Ｎ矣�5mm的合金鋼做的臺面也是被輕易地拉彎了。多次改進試驗后，結(jié)果都是一樣，研發(fā)工作走進了死胡洞。

HDPE塑料3D打印的第二個關(guān)鍵是解決由于收縮引起的臺面拉彎的問題。一個偶然的機會，看到電視劇里一個武功高手（鰲拜）被很多鐵鏈拉住，有雖然有神力，但也發(fā)不出來，我從中得到了啟發(fā)，我們是不是可以讓成型的HDPE塑料由于收縮產(chǎn)生的力化解掉，使這個力不直接施加在用鋼板做成的臺面上。

我在設(shè)計HDPE塑料三通的3D數(shù)字模型時，在產(chǎn)品的下面增加了很多細長的柱子，有點像南沙群島的“高腳屋”，在這些細長的柱子的上面再進行產(chǎn)品的3D打印，這時候凝固的3D打印過程中的產(chǎn)品產(chǎn)生的拉力會施加在那些細長的柱子上，由于細長的柱子有一定的彈性，所以產(chǎn)品在3D打印時產(chǎn)生的巨大的力就被分解掉了，不直接施加在用鋼板做的臺面上，鋼板的臺面就不會彎曲，3D打印機就可以順利地進行工作，直到整個零件完成3D打印。這樣，我計劃的第一步就完成了。3D打印出來的產(chǎn)品（三通）的密度是達不到HDPE管接頭國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物理要求的，必須對3D打印出來的三通進行加壓處理，以達到增加密度的目的。具體方法見下圖。




對上圖的活塞施加壓力，通過高溫彈性體的傳遞，就可以對3D打印出來的三通的內(nèi)壁施加壓力，就可以有效地增加PHDPE塑料的密度。得到我們需要的，合乎使用需求的PHDPE管接頭。下圖是在我的辦公室里做出來的試驗品。




上圖是在我的實驗室里做出來的試驗品，對于整個計劃來說，跨出了第一步，我們下一步的計劃是加快3D打印的效率，直接用HDPE塑料原料來進行3D打印。用我們研發(fā)的方法，超大型的HDPE管接頭的制造,就變得非常簡單，就可以繞開龐大的投資，永遠也不會受到注塑機和模具的限制，也不受HDPE管接頭形狀的限制，可以根據(jù)水處理工程的使用要求，很任性地設(shè)計成各種合理的形狀。

來源：查鴻達，授權(quán)首發(fā)稿件《超大型PE管接頭非注塑成型技術(shù)的探索》

作者簡介：
查鴻達，江蘇武進人，1949年生，畢業(yè)于江蘇大學(xué)，目前擔(dān)任深圳市精森源模具集團首席技術(shù)顧問，江蘇省模具協(xié)會專家，以色列Cimation公司特聘專家，常州機電學(xué)院模具系客座教授，模具門戶網(wǎng)站開思網(wǎng)技術(shù)顧問。著有《老查做模一千零一招》（機械工業(yè)出版社）。獲得50余項有關(guān)模具、注塑方面的國家專利。

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