3D打印能否颠覆工装工具行业？深度探讨增材制造的工业化前景

发布：2019年11月11日 | WayKen快速制造

产品制造不止加工装配零件，还涉及包装开发、物流规划，最关键的是工装工具开发制造。工装泛指满足批量与质量要求所需的所有组件。全球企业家工装成本高达数十亿美元，可占产品总成本50%。新技术正致力于降低工装时间成本，3D打印已证明是可靠有前景的技术。

增材制造（即3D打印）类比平面纸张复印2D数字图像。技术成熟后，精度、零件强度、表面光洁度、材料范围大幅跃升。5年前打印件仅用于样件演示，今金属打印件已装配于空客发动机、航天飞机、汽车。意味着3D打印已用于工装制造。若按此迅猛发展，3D打印能否替代全行业所有传统工装制造工艺？

塑料3D打印替代软工装

软工装指低耐久度组件，典型例为硅胶铸造模具。由固化硅胶混合物制成，硬工装（注塑模具）用金属合金。软工装耐久性极低（仅1-1000件视复杂度），但成本远低。硅胶模具完美适配原型、小批量、定制生产：仅需主模与一两副模具即可产出小而关键批次。增材制造如何改进替代传统工艺？

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首先，3D打印在硅胶铸造中已不可或缺：主模制造首选。3D打印擅长单一复杂零件，几何复杂度对最终时间成本影响极小。单一复杂零件正是塑料铸造主模的定义。主模完成后浸入液体硅胶固化得两半模具。

更进一步：直接3D打印硅胶模具。将省去主模及其后处理。现代3D打印机虽难在硬质材料上达标表面光洁度，但软性聚合物可打印极光滑件。谁敢断言几年内无法在复杂材料上达同等精度？那时传统硅胶工装行业将面临冲击。

软工装之外，看3D打印对硬工装行业的冲击。主流为塑料注塑用耐用钢模。硬工装还包括金属锻造模、加工夹具、测量夹具（或特定零件专用整套测量设备）。

硬工装主流由CNC加工制造。模具夹具用不锈钢或硬质合金，热处理延长寿命。此类材料极难加工，硬工装制造成本高、占产品交期大头。硬工装通常单件或极小批量生产，几何极复杂含内部特征。这正是3D打印擅长领域，但增材制造尚未广泛用于模具制造。

原因几点：金属增材制造精度与表面光洁度尚未达CNC加工水平，无法完全规避切削后处理，后处理成本更高。最关键：烧结件疲劳性能研究不足，耐久性不可靠预测。完成更多疲劳测试建立烧结材料疲劳曲线后，才能用增材制造耐用组件。此外，适合金属烧结的材料不多，模具变体受限。

了解金属3D打印现有局限，展望突破后的未来。若开发出能从复杂组件制造精密件的打印机，制造节奏将飞跃：模具仅需数天且成本远低于今日。单件加工成本极高，3D打印定制件比批量更划算。硬度非问题，因局部熔融非切削。

最后，增材制造在内部冷却水路设计大有可为。钻孔无法达深腔狭隙空间，导致冷却速率不均。增材技术可提供任意复杂高效均匀分布且不增模具成本的冷却通道。

增材制造替代传统成熟工装制造法仍有漫漫长路。但技术成熟、零件性能被充分理解后，传统方法将毫无胜算。

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