增材制造数字工厂，注塑成型替代方案？

| 3DScienceValley · 2020/02/20

注塑工艺作为主流制造方式为生活和制造业各环节提供了成千上万的塑料制品，从发明至今近150年来关于注塑成型有一件事从未改变：对模具的需求。虽然CNC和3D打印技术的介入使模具的制造过程日渐快捷，但复杂的模具制造过程和工艺挑战始终伴随左右。

增材制造作为新兴技术已被广泛应用于原型制造，随着技术发展和材料进步，增材制造被越来越多地应用于批量化直接生产。那么，什么是增材制造的数字化生产？是一字排开多台的3D打印机工厂，还是设计管理软件的大规模互联？如果把增材数字化工厂跟传统注塑成型工厂对比，各自优势在哪里？

3D Systems 《注塑成型的数字化替代方式》白皮书，给出了这些问题的答案。

技术、材料、成本以及管理的取舍决定了注塑企业的核心竞争力

Part1：注塑工艺是怎么运作的？

一、注塑成型
注塑成型（Injection Molding）是将已加热融化的材料喷射注入到模具内，经由冷却和固化后，得到成形塑料制品的方法。适用于量产形状复杂的产品。

二、制造模具
注塑模具的设计过程十分严谨耗时，从产品评估、模流分析、排位到设计修改，短则一周，长则月余。模具加工工艺历经粗加工、精加工以及抛光等多道工艺，耗时较长启动成本攀升。

三、注塑成型
注塑过程包含开关安全门、锁模、注射保压、冷却、开模、取出等主要步骤，重复执行作业流程以连续生产。这个过程是材料、设备、模具和参数设置的综合管理，需要丰富的经验和与之配套的后处理工艺。

四、常见问题
上机注塑的过程中，工程师们时常面临来自工艺的挑战：

外观问题：凹痕、银纹、气泡、龟裂、分割线段差等。
工艺问题：充填不满、分型面飞边过大、粘模、不正常推出
性能问题：以及翘曲、应力、密度不均匀等。

工艺参数较易调整，有些性能问题的成因可能来自多个方面：材料、设备、模具。

快速找到症结往往需要资深专家的诊断。如果模具本身需要调整，时间和经济成本让人头疼，小批量订单面临更高风险。

Part2：增材制造数字工厂是如何运行的？

一、数字化设计
直接使用CAD/CAM 软件设计最终成品件而非模具，3D打印可满足设计时对功能或结构要求，如有机或复杂的内部型腔、减少的部件数量以及使用更高强度的增材制造轻质材料，适用于几乎所有结构。

二、原型或生产式打印
3D 打印已经成为普遍的生产原型和短期生产用部件的方法，源于它节省了模具的制造时间和成本。读取CAD/CAM数据后即可以24/7不间断工作。无需专人值守，无模具损坏风险。多件塑料制品从成型平台上拔地而起，速度以每分钟毫米计算。

三、成品管理
软件设计旨在实现工厂本地操作和智能支持，并通过网络和云连接进行远程操作，促进智能制造的高效数据交换。机械臂将部件从树脂桶中快速拉出完成洗涤、干燥和固化操作。数字检测也可以集成到打印平台中，通过传感器和三维扫描件实践工业4.0策略。结合打印管理软件，数字化工厂可使用行业标准协议（如 MTConnect 和OPC 统一架构(OPC UA)）进行实时通信。可规模扩展并可在自动化生产线中运行。处理长期或短期批次、允许不同生产部件的快速切换。使制造商能够快速迭代设计并立即生产最终用途零件。

数字化工厂流程示意图

数字化、模拟制造和检测生产出的塑料或金属件，将生产工艺从对模具加工的需求中解放出来，为企业生产提供兼具灵活性和产能的制造模式。

四、常见问题
增材制造数字化工厂较为适合小批量订单的生产或复杂结构件定制，有其适用区间需基于每个企业的特点定量评估。另外全新的数字化生产方式需要企业采纳与之匹配的端到端管理技能。

Part3：基于成本和效率的选择

没有一种解决方案是完美的，工艺的选择离不开经济效益的考量。当需要数十万产量时，模具+注塑仍然是优先选择。价值数万元的模具除以几十万，模具成本降至单件几毛钱、注塑材料的价格优势将随着制造量的提升而渐具优势。另一方面，当订单数量为2,000 以内的小批量制造，增材制造数字化工厂将拥有显著优势。在这种情况下，每个注塑成型的部件成本可能是增材制造数字化生产的 10 到100 倍。

除了传统注塑成型部件的实际生产成本外，还有其他财务因素需要考虑，例如劳动力成本和供应链管理：额外人工、材料和 CNC 加工、测试费用等。3D打印数字化生产降低了边际成本，如果产品的外观和功能都未如预期，可随时在 CAD内修改并立即制造——不需要设计新模具。

Part4：材料才是关键

增材制造数字化工厂的功能日趋完善，但能否管用还得看材料性能。

最重要的放在最后，看看有哪些数字化工厂的打印材料值得划重点吧：

Figure 4™ PRO-BLK 10
一种生产级增材制造材料，具有颠覆性的热塑塑料类机械特性和环境稳定性，可用于塑料部件的直接生产。该材料可实现高达 60 毫米/小时的快速打印速度，并简化了包括单一固化周期和单一溶剂清洗的后处理过程，可实现卓越的吞吐量。

它是一种高精度的树脂制造部件，表面光洁度好，侧壁质量优异，具有卓越的机械性能。

环境稳定性意味着部件在机械性能、颜色、不透明度和尺寸方面可长久保持一致
打印速度高达 60 毫米/小时，层厚 50 µm
无二次热固化后处理，使之成为一种简单有效的无模具生产方法

Figure 4™ HI TEMP 300-AMB
一种适用于需高耐热性应用的耐超高温塑料。无论是高压还是低压环境，其 HDT 都在 300 摄氏度以上（0.455和 1.82MPa 下测得的 HDT 数值）。这种材料非常适合用于高温元件的测试，包括暖通空调、家用电器、电机外壳、吹风机等。

HDT 超过 300˚C
无二次热固化后处理

Figure 4™ MED-WHT 10 和 Figure 4™ MED AMB 10
分别为刚性白色和半透明琥珀色生物相容性材料。这两种材料都推荐用于需要灭菌的一般医疗应用，并且都能承受高温，这使它们成为许多高温工业应用的良好候选材料。Figure 4™ MED-AMB 10 的半透明性也使其成为需要流体流动可视化应用的良好选择。

满足 ISO 10993-1 生物相容性标准
耐受 100˚C 以上的高温
可使用高压灭菌器灭菌xcx

Figure 4™ EGGSHELL-AMB 10
一种工艺优化材料，用于生产铸造各种硬度的硅胶部件所用的损耗模型。它专门设计为可承受高温高压下的液体硅胶注射；模具填充和冷却后，其经过专门设计的脆性使其易于从硅胶中剥离。它的琥珀色使得操作人员可看到硅胶的注塑过程，它也具有很高的 HDT、高抗拉模量和较低的断裂伸长率，这些都是首选的可注塑模具的性能。