3D 打印注塑模具：材料比较
简介
随着技术能力的提高，使用 3D 打印工艺制造最终用途工具变得越来越普遍。
在本文中，我们关注一个特定的模具应用：低运行注塑成型。可以在此处找到有关 3D 打印在该领域的应用的广泛评论。在本文中，我们比较了目前业界用于制造注塑模具的两种流行材料。
注塑成型对于 3D 打印材料来说是一项要求很高的应用，因为模具必须承受高温下的加工力，并在多次运行中保持其尺寸精度。 3D 打印注塑模具最适合：
快速周转时间（1-2 周而不是 5-7 周）。
产量较低（50 - 100 个零件）的应用。
可能发生更改或迭代的模具设计。
相对较小（小于 150 毫米）的零件。
模具制作材料要求
适合制造注塑模具的3D打印材料必须具备：
- 高刚度： 模具必须在多次运行中保持良好的尺寸精度，并在材料注射过程中承受高压而不变形。
- 耐高温： 高热变形温度 (HDT) 至关重要，不仅可以确保模具在材料注射过程中不会失效，而且可以更精确地控制工艺。
- 高度详细： 注塑模具必须具有较高的尺寸精度和光滑的表面。高精度模具将生产高精度零件。
能够生产高精度和光滑零件（无需大量后处理）的两种 3D 打印工艺是材料喷射和立体光固化成型 (SLA)。虽然材料喷射只是一种工业流程，但桌面和工业 SLA 系统都存在。桌面 SLA 3D 打印机的可用材料和生产能力虽然不适用于高端生产，所以这里不再讨论。
在本文中，我们将重点介绍两种被证明适合在工业环境中制造低运行注塑模具的材料：Stratasys 的用于材料喷射的 Digital ABS plus 和 DSM 的用于 SLA 的 Somos PreFORM。
免责声明： 下面列出的材料特性由制造商提供，并对应于已进行最佳热后固化工艺的部件。
材质对比
机械特性 - 刚度
Somos PerFORM 具有非常高的拉伸和弯曲强度，不仅与数字 ABS 相比，而且在所有其他工业 3D 打印材料（例如 SLS 尼龙）中也是如此。然而，它更脆（断裂伸长率低）并且冲击强度较低。对于模具制造，Somos PerFORM 的机械性能更佳，高刚度和强度是主要要求。
| 数字 ABS Plus | Somos 表演 | |
|---|---|---|
| 抗拉强度 | 55 - 60 兆帕 | 80 兆帕 |
| 拉伸模量 | 2600 - 3000 兆帕 | 9800 兆帕 |
| 断裂伸长率 | 25 - 40 % | 1.2% |
| 抗弯强度 | 65 - 75 兆帕 | 146 兆帕 |
| 弯曲模量 | 1700 - 2200 兆帕 | 9030 兆帕 |
| 悬臂梁冲击（缺口） | 90 - 115 焦/米 | 20 焦/米 |
| 硬度（肖氏D） | 85 - 87 | 93 |
热性能 - 耐温性
热变形温度 (HDT) 表示聚合物在一定载荷下变形的温度。玻璃化转变温度 (Tg) 是热固性材料从固态“玻璃状”状态转变为更柔韧的“橡胶状”状态的温度区域。对于注塑成型应用，HDT 和 Tg 值都较高是可取的，因此 Somos PerFORM 再次优于 Digital ABS。
| 数字 ABS Plus | Somos 表演 | |
|---|---|---|
| HDT (@ 0.46 MPa) * | 92 - 95°C | 268°C |
| 玻璃化转变温度（Tg） | 47 - 53°C | 81°C |
| 数字 ABS Plus | Somos 表演 | |
|---|---|---|
| 进程 | 材料喷射 | 工业 SLA |
| 典型尺寸精度 | ±0.1%（下限±0.05 mm） | ±0.15%（下限±0.05 mm） |
| 最小特征尺寸 | 0.05 毫米 | 0.10 毫米 |
| 最小壁厚 | 0.6 毫米 | 0.8 毫米 |
| 最小层高 | 14 - 16 微米 | 25 - 50 微米 |
生产能力
Digital ABS 和 Somos PerFORM 都已在工业环境中用于生产低运行注塑模具。下表总结了单个模具可以使用被认为“容易”和“难以”成型的材料（分别为 PP 和玻璃纤维填充 PA）生产的零件数量。
两种材料的机械和热性能差异会影响模具可以生产的零件总数。在正常操作条件下（前 3-4 次运行后），3D 打印模具将达到约 120 o 的温度 C，因为它是从熔化的材料中加热的。良好的热稳定性对于最大限度地减少模具的劣化至关重要。下图的 PA GF 测试样品是使用相同的模具设计生产的，这些模具设计在两种材料中 3D 打印（都显示了第 10 次运行后生产的零件）。使用 Digtal ABS 模具生产的零件质量要低得多，因为模具已经开始过热和变质，而 Somos PerFORM 模具仍然很稳定。
| 数字 ABS Plus † | Somos 表演‡ | |
|---|---|---|
| “简单”材料中的零件 * | 50 - 100 | 100 - 200 |
| “困难”材料中的零件 ** | 5 - 30 | 30 - 50 |
* 聚丙烯 (PP)
** 玻璃纤维填充聚酰胺 (PA GF)
† 来源：Promolding
‡ 资料来源：Wehl &Partner
总结和结论
注塑成型是一种要求非常高的模具应用：材料必须既具有高刚度，又必须能够在高温下工作。
材料喷射和 SLA 是唯一可以生产具有工业应用所需尺寸精度和表面光洁度的零件的 3D 打印工艺。我们比较了用于制造 3D 打印低运行注塑模具的两种材料（每种工艺一种）。
尽管 Digital ABS plus 是适用于大多数功能性应用的优秀材料，但 Somos PerFORM 更高的刚度和卓越的热性能使其更适合模具制造。用这两种材料制造的每个模具可以生产的零件数量就可以看出这一点。
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经验法则
- 如果需要非常高的精度和光滑的表面光洁度，Material Jetting 和 SLA 是最适合模具制造的 3D 打印工艺。
- 为了在多次运行中保持准确性，用于制造注塑模具的 3D 打印材料必须具有高刚度。
- 高 HDT 可以在加工过程中使用更高的模具温度。
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