从增材制造到注塑成型

工业级 3D 打印的精度和可重复性使增材制造成为功能原型制作的有效和准确的过程。同时，长期以来，塑料注射成型一直是一种可靠且经济高效的方式，可以为数万次甚至更多的大批量生产生产零件。

因此，工程师、设计师和产品开发人员发现，这两个过程在产品的生命周期中可以很好地协同工作，从降低 3D 打印原型设计的设计风险开始，然后转向注塑成型的制造方法，以提高产量。多年来，对于数以百万计的零件设计，这一直是首选组合。

在 Protolabs，多个行业的例子比比皆是，包括航空航天、国防和医疗技术。

应该注意的是，有几种 3D 打印工艺能够构建功能齐全的生产部件。例如，直接金属激光烧结使用一系列金属来制造最终用途部件。使用尼龙基材料的选择性激光烧结可以制造出高度耐用的最终部件。 Multi Jet Fusion 还用于制造最终用途的尼龙部件。

也就是说，从 3D 打印原型到注塑成型最终零件的转变仍然是一个经常使用的选择，主要是因为如前所述，因为成型是生产大量零件的一种更具成本效益和时间效率的方式。

选择此选项时，需要牢记许多独特的设计注意事项。这篇文章提供了应对这种转变的建议：

• 在设计零件之前定义零件
• 使用多个原型
• 通过成型进行操纵
• 选择材料
• 降低成本和时间表

通过在移动到成型之前 3D 打印原型，产品开发团队可以降低设计风险并更快地迭代。

降低设计风险：在设计零件之前定义零件

使用 3D 打印或增材制造制作原型完全是为了降低设计风险：研究如何改进零件的设计；查看零件的形状、装配和功能可能存在哪些潜在风险；尝试和审查各种设计概念；并注意不要因不考虑零件的可制造性而将自己设计到角落。事实上，对于 3D 打印，几乎没有规则或限制可以在创建零件时给您带来问题。但是，要设计一个可成型的零件，那就是另一回事了。功能会影响任何类型零件的形状，但对于塑料零件尤其如此，它还会影响光洁度，甚至影响成型它们的模具设计。

这就是我们的自动化数字报价平台的用武之地。如果您考虑到零件将被模制，或者至少在原型制作阶段之外以更大的数量生产，这种分析就尤为重要。对于 3D 打印部件，您可以获得基于材料、分辨率和表面处理的交互式定价的即时报价。此外，您始终可以从我们的一位内部增材制造工程师那里获得设计反馈。对于模塑零件，您可以在数小时内获得交互式在线报价、DFM 分析以及基于数量、成品和交货时间的实时定价。

但让我们回到一些风险缓解示例。在汽车行业，适合作为 SUV 发动机组件的零件设计可能需要经受住高温和潮湿的环境。这将推动关键选择，例如使用何种材料以及选择何种生产方法。它可能需要使用选择性激光烧结 (SLS)，这是一种可以生产功能性生产部件的 3D 打印工艺，或者可能需要模制或机加工部件。或者，比方说，一家医疗技术公司正在制作一种新的手持式手术工具的原型。在这种情况下，3D 打印原型将成为一种在医生办公室或诊所用于销售演示和实用测试的良好工具。

在这个早期的前端阶段，最好的建议是使用良好、合理的设计原则来帮助定义 设计之前的一部分 一部分。这将引出下一节：迭代或多个原型的作用。

开发 Indago 四轴飞行器的工程团队使用 3D 打印对设计进行了原型设计，然后过渡到成型生产。

多原型有助于确定生产方法

如前所述，使用增材制造创建零件几乎没有规则或限制。这是祝福也是诅咒。当设计师想要将印刷原型设计转换为模制零件或其他生产方法时，这尤其是一个挑战。为什么？好吧，就成型而言，它“不喜欢”厚横截面、悬垂、围绕核心和编织的流动、复杂的几何形状、内部通道或腔室、有机几何形状等。换句话说，某些东西可以 3D 打印并不一定意味着它可以成型。

因此，交叉引用——跨多个过程或针对多个过程进行引用——连同迭代原型制作，可以成为对零件设计有帮助的审查过程。并行执行此操作将有助于显示零件是否具有功能性，以及如何将其成功转换为下一步，转换为允许更高批量生产的方法，无论是模塑、铸造、机加工、钣金制造，或其他过程。这种多重原型设计也可能会帮助您确定价格和时间方面的考虑因素。

在注塑成型的情况下，你会遇到更多关于什么可以成型什么不能成型的限制，因为如果模具不能生产，零件就不能生产。对于注塑成型，需要使用或添加许多成型技术和元素（请参阅下一节“通过成型进行操作”）。

洛克希德马丁公司的四旋翼无人机（参见边栏框）就是航空航天工业中这种多重引用过程的一个例子。项目设计师 Miguel Perez 是 Lockheed Martin 的工程师，他使用 Protolabs 的 DFM 分析自动报价系统，指导他完成各种零件迭代，并最终使他从使用 3D 打印的原型制作转向原型制作和小批量生产注塑成型。

他会向报价系统提交一个未经修改的模型，然后获得反馈，例如，关于半模如何工作、建议的侧拉以及无法成型的特征的突出显示。然后 Perez 将使用此信息将 3D 打印部件制成多个可模压接口部件，以保留设计意图。然后他会重新提交修改后的零件，并从报价系统获得更多关于如何制造模具的反馈，例如，向他展示他可能在适当的方向上忽略了所需的草案。

医疗行业的一个例子是 3D 打印为 Luer 锁等零件提供的验证测试，它拧在注射器的末端并适合。有一些方法可以对这些锁进行模塑以节省成本，但设计可以​​首先通过 3D 打印进行验证，确保它能够收紧到足以制作密封件，例如，在认为它的功能足以将其推进到模塑之前。

最终，根据正在设计的零件，测试和使用多个原型可以帮助您验证某些东西是否可行，并帮助您在开始成型之前对原型更有信心。

制作匹配组件原型，例如拧在注射器上的鲁尔锁，是在投资前确认配合和功能的好方法在生产工具中。

通过成型操作

为了实现从印刷原型到模制零件的过渡，应考虑并在适当的时候应用多种模制设计方法。这些技术中最重要的两项是均匀的壁厚和拔模，尽管还有其他几种技术。这是一个简短的纲要：

均匀的壁厚。 保持均匀的壁厚可能是获得优质模塑零件的最重要的设计要求。均匀的壁厚使熔化的塑料能够均匀地填充模具，因此不会产生带有翘曲、凹陷、细熔合线或其他缺陷的零件。

草稿。 向零件的垂直壁添加拔模或斜度可以更容易地从模具中顶出或移除零件。主要规则是对模具型腔每英寸深度施加 1 度的拔模度。

半径。 使用圆角或圆角来改善塑料流入模具的流动以及零件的​​完整性。尖角会增加零件的应力并阻碍熔化塑料（树脂）的流动。

罗纹、角撑板、坡道。 包括加强筋和支撑角撑板可以增加结构件的强度并有助于消除翘曲、凹陷和空隙。加强筋的厚度应为相邻壁厚的 40% 至 60%。斜坡而不是尖锐的台阶可以减少较厚和较薄的壁部分之间移动时的应力。

老板。 在凸台上设计更薄的壁或将接收螺钉的安装特征将消除凹陷和空隙。

有关注塑成型设计指南的详细信息，包括零件尺寸和材料建议，请查看我们的塑料注塑成型设计指南，其中包括最大尺寸、常用塑料和表面处理列表，以及自定义颜色匹配和二次加工选项；液体硅橡胶 (LSR) 设计指南；以及包覆成型和嵌件成型指南。

注塑成型的材料注意事项

两大类塑料材料是热塑性塑料和热固性塑料（例如 LSR）。选择材料是基于多种考虑。材料的机械、物理、热学和电气特性非常重要。可制造性是必不可少的，例如树脂（原始形式的塑料材料）的特性，包括它们在冷却过程中对变形的抵抗力以及它们填充模具的小特征的能力。根据零件的功能，外观可能也很重要。材料成本是另一个问题。可能还有其他特殊考虑因素，例如需要 FDA 或 UL 评级。

降低成本和时间表

当然，总体成本和预算，以及时间表和截止日期，也是关键的考虑因素。而且，在某些情况下，您可能会觉得成本尤其是零件或产品开发的最大影响因素。然而，通过使用成型等更经济实惠的生产方法，可以控制成本。

沿着这些思路，迫在眉睫的最后期限也可能让人觉得自己是顶级影响者。然而，由于可以加速产品开发的数字制造方法，零件和产品的原型制作和生产可以大大缩短。

Gus Breiland 是明尼苏达州 Protolabs 的一名高级技术工程师。

Eric Utley 是北卡罗来纳州 Protolabs 的一名应用工程师。