使用 3D 打印模具优化小批量注塑

本文讨论使用 3D 打印来打印小批量注塑模具。设计考虑、材料、模具配置和比较案例研究都包括在内

如何设计 3D 打印注塑模具

材料

3D打印材料适合用于制造注塑模具，如果它具有：

• 耐高温 - 需要较高的热变形温度来承受材料注射过程中施加到模具上的机械和热负荷。但请注意，凝固过程中温度会迅速下降。
• 高刚度/韧性 - 重复拆卸零件可能会导致模具磨损，因此需要高刚度的材料来长期保持模具精度。
• 详细程度高 - 注塑模具的主要要求之一是高尺寸精度和光滑的表面。高精度模具将生产高精度零件。

最能满足这些要求的 3D 打印技术是 SLA 和材料喷射。这些技术可以生产尺寸精度高的零件，非常适合打印复杂的细节和非常精细的特征。这些技术中可用的特种材料，例如 Formlabs 高温树脂或 Stratasys Digital ABS，是成型和模具应用的理想选择。下面显示了与这两种材料的注塑成型最相关的属性概述。

对于工业应用，桌面 SLA 不适合。您可以在此处找到一篇深入文章，该文章比较了用于模具制造的两种最常用的工业 3D 打印材料（Digtal ABS 和 Somos PerFORM）。

属性 Formlabs 高温树脂* Stratasys 数字 ABS** 热变形温度 289 ℃ @ 0.45 MPa 92 - 95 ℃ @ 0.45 MPa 弯曲模量 3.3 GPa 1.7 - 2.2 GPa 冲击强度（缺口悬臂梁） 14 J/m 65 - 80 J/m 最低层高（分辨率） 25 - 50 微米 16 - 30 微米 最小细节尺寸 0.2 mm 0.2 mm *信息来源于 Formlabs**信息来源于 Stratasys 由数字 ABS 制成的 3D 打印注塑模具

模具设计

描述模具特征（例如浇口、流道、排气口等）的具体技术设计超出了本文的范围。互联网搜索将揭示大量有关该主题的信息。 Seattle Robotics 的这篇文章对于注塑模具设计新手来说是一个很好的起点。

以下列出了设计 3D 打印模具时应遵循的一些良好实践：

• 设计用于 SLA 打印的模具时，请确保模具内表面的方向，以便没有支撑物与其接触。这将提高其表面质量，因为这些表面上不会出现支撑标记，从而最大限度地减少所需的后处理。
• 从型腔边缘到模具边缘设有浅排气孔（深 0.05 毫米），有助于排出成型过程中残留的空气。
• 如果 3D 打印模具的运行次数超过 20 次，请考虑在设计中包含用于嵌入金属棒或管的通道。这些有助于加固模具、减少翘曲并缩短冷却时间。
• 以较低层高 3D 打印模具有助于生产更光滑的模制零件，因为模具的打印线不那么明显。
• 浮雕和雕刻细节应偏离表面至少 1 毫米。

设计的具体限制将取决于所使用的注塑机。然而，Stratasys 建议通过其材料喷射打印机制造的模具应用于在 50 至 80 吨成型机或手动压力机中生产最大体积为 165 cm3 的零件。

设计注塑零件

与传统注塑模具一样，设计者应考虑：

• 添加至少 2o 度的拔模角，以帮助从模具中取出零件。
• 保持整个零件的壁厚均匀。
• 使所有墙壁和功能尽可能薄。
• 包括所有边缘和拐角处的半径。
• 包括薄肋和角撑板，以增加零件的强度，而不是增加壁厚。

注塑拔模角设计

在本文中详细了解拔模角度的重要性→

减少闪光

毛边是注射过程中模具两半之间出现的材料的名称。当两个半模没有完美地配合在一起、没有完全齐平且平坦或者模具填充过度时，通常会发生这种情况。模具设计中使用流道有助于减少出现毛边的可能性。

如果设计铝制框架，请在模板背面添加 0.125 毫米的额外厚度，以考虑压缩力并确保完全密封。增加虎钳的夹紧力也有助于减轻毛边，抛光模具的分割面以使其表面尽可能平坦也可以。

良好的模具设计和平坦的模具面可减少发生飞边的可能性

（图片由 Formlabs 提供）

释放化合物

由于与传统模具相比，3D 打印注塑模具中使用的材料相对脆弱，因此施加过大的力从模具中取出零件可能会导致模具快速损坏。在注射阶段之前在模腔表面添加脱模剂可以极大地帮助零件移除。

案例研究：塑料电机配件

本案例研究将比较电机外壳定制塑料配件的制造。设计要求是：

• 零件总数为 25。
• 需要高水平的尺寸精度来确保紧密配合。
• 零件的重量为 0.005 千克（5 克）。
• 该部件必须由 ABS 制成。
• 该部分必须为黑色。
• 零件的总直径为 40 毫米。

以下是可用的替代制造选项：

工业 FDM ABS 3D 打印： 工业FDM 3D打印具有高重复性，可以生产尺寸精度高的零件，并且能够小批量到中批量打印零件。工业 FDM 系统中使用的 ABS 长丝的成本通常约为每公斤 90 至 110 美元。通过 FDM 3D 打印生产的任何零件的主要限制是其各向异性机械性能：零件在一个方向上明显较弱。这意味着设计人员必须很好地掌握零件将承受的载荷以及模型在打印平台中的方向。

使用 SLA 3D 打印模具注塑 ABS 零件： 高温 SLA 树脂能够生产高精度的功能性注塑模具，最适合低水平的生产运行。 SLA 树脂零售价约为每升 150 - 170 美元。本例中使用台式注塑机进行计算，并将 3D 打印模具插入铝制支撑框架中。 ABS 颗粒用于成型零件，成本约为 2 - 3 美元

传统注塑 ABS 零件： 传统的注塑零件具有非常高的精度、出色的表面光洁度和非常高的可重复性。传统注塑成型的主要缺点是初始设置成本较高，并且在成型零件的设计中存在大量设计限制（拔模角、恒定壁厚等）。 ABS颗粒的成本同上。

下表总结了使用上述技术制造 ABS 配件的成本（基于在线报价）。所有价格均不含运费。

<头> 工业 FDM* 3DP IM** 传统 IM*** 模具成本 不适用 $70.85 $1660.72 每个零件的成本 $3.69 $0.05 $1.89 总成本 $92.25 $72.10 $1711.48 交货时间 4天2天8天*引用来自 Protolabs Network.com，带有 ABS，20% 填充物打印在 Fortus 250MC*&;引用来自 Protolabs Network.com，使用 Formlabs 高温树脂打印在 Form2***引用来自 Protolabs

后续步骤：如何通过注塑成型生产零件

使用 3D 打印模具进行小批量注塑是适合您的应用的最佳解决方案吗？然后，您可以通过两种方式推进您的项目：

如果您拥有注塑机和设计模具的专业知识，那么3D 打印模具 耐热材料是一种选择。您可以在此处找到一篇讨论用于制造小批量注塑模具的两种最常用 3D 打印材料的优缺点的文章。

否则，您可以将制作外包给专业人士 注塑制造商。 Protolabs Network 提供对注塑成型服务提供商全球网络的访问，他们能够为您的零件设计模具并生产 100 至 10,000 多个单位的产量。

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