模具為什麼要隨形冷卻水道

Ⅰ 3D列印模具與傳統模具區別

從現在來看，3D列印已經給製造業帶來了巨大影響。那些曾經需要幾百美元、耗時幾周的手板件，現在可以早上設計、晚上列印，第二天早上就可以送達客戶手裡。

有些公司已經在使用3D列印工藝製造注塑模具。不再需要花費幾個月時間來等待可以用於生產的模具的製造，或者因為下游設計變化導致修改模具的大量金錢投入，或者生產層上的不確定因素。不管是模具驗證還是注塑件小批量生產，都可以快速3D列印模具。如果模具有問題或者需要修改設計，再列印一個並重復驗證或生產就是。對嗎?

這些觀點有一些道理。塑料3D列印的注塑模具有點像我們後院的塑料棚，它比金屬棚便宜，塑料棚搭建速度很快且在低載荷下表現良好。但是如果積雪太多，他們將破裂成一屋的碎片。

3D列印模具有自己的一席之地，有些企業在3D列印模具的應用上比較成功。支持者稱3D列印模具比傳統模具加工方式快達90%、便宜達70%。在某些情況下這可能是真實的，但是明白金屬模具相比3D列印塑料模具的優勢/劣勢非常重要。

真正的模具，真正的快速

快速製造公司ProtoLabs自從1999年已經開始生產快速模具注塑零件。它提供的模具可製造工程塑料、金屬、液態硅膠(LSR)等材料的零件。模具主要使用鋁(有些情況下用鋼)材機加工得到，可加工幾個到1000個零件，發貨時間1-15天。

它的工業級3D列印服務包括光固化(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)和直接金屬激光燒結(DMLS)。可列印材料包括仿聚丙烯和ABS的類熱塑性材料、工業級尼龍及金屬(如不銹鋼、鋁合金及鈦合金等)。

既然有如此大范圍加工能力，為什麼不直接列印模具，而是機加工製造模具呢?

模具製造商當警惕

ProtoLabs公司工程師一直在考慮列印模具，但是在做了16年的快速模具生意，一些原因仍迫使他們堅持可靠的快速注塑成型工藝：

01表面質量

3D列印逐層加工得到零件，這會導致產品表面有台階紋效應。直接列印的模具也存在類似問題，後期需要機加工或者噴砂來消除這些細小的、齒狀的邊緣。此外，小於1mm的孔必須鑽，更大的孔需要擴孔或者鑽孔，螺紋特徵需要攻絲或者銑削。這些二次處理很大程度上削弱了3D列印模具的速度優勢。

02尺寸因素

如果你要設計滑板或者塑料工具箱，3D列印模具也許是毫無問題的。零件尺寸限制在10立方英寸(164立方厘米)，大致是柚子的尺寸。而且盡管當前的增材設備的精度很高，但是仍然沒法同加工中心和EDM設備比較。後者加工的模腔精度通常達±0.003英寸(0.076mm)，零件體積高達59立方英寸，大致是3D列印零件體積的6倍。

03高溫環境

為保證材料流動性能良好，注塑模具需要加熱到非常高的溫度。鋁模和鋼模通常經歷500F(260℃)甚至更高溫度環境，尤其在加工高溫塑料，如PEEK和PEI(Ultem)材料。用這些金屬模具生產幾千個零件很容易，在最終量產模具出來前也可作為過渡模具使用。使用SLA或者相似3D列印工藝製造的模具材料一般是光敏或者熱固性樹脂，它們通過紫外光或者激光固化。這些塑料模具盡管比較硬，但是在注塑的熱循環條件下損毀非常迅速。事實上，在溫和環境下3D列印模具通常在使用100次以內會失效，高溫塑料比如聚乙烯和或苯乙烯。對玻璃填充聚碳酸酯和耐高溫塑料，甚至只能生產幾個零件。

04比較成本

使用3D列印模具的一大原始是因為其成本低。生產級別機加工模具成本一般是20000美元甚至更多，意味著同1000美元的列印模具是同類比較。但是這個類比並不公平，列印模具陳本的評估通常只考慮材料消耗，並沒有考慮人工、裝配與安裝、噴射系統和五金器具。比如ProtoLabsd的鋁模具花費1500美元可以用於生產。如果需要生產更多零件?採用3D列印模具，你每生產50-100個產品就需要重新列印、裝配機測試新的模具。另一方面，不考慮所使用的塑料，鋁模具通常在生產10000個零件仍然服役良好。

05產品設計

傳統注塑模具製造的原則及實踐已經有超過一個世紀的歷史，行業對其研究比較透徹。3D列印模具卻非常新。比如拔模斜角必須大於等於5度，以滿足大部分鋁模要求。塑料模具注塑塑料零件卻面臨挑戰，對塑料模具頂針的數量與安裝位置需要額外小心。

在增加模腔壁厚和降低壓力方面，塑料模具(尤其是高注塑溫度)在某種程度上更為靈活。澆口的設計也不同，應當避免使用隧道式和點狀澆口。直接澆口、扇形澆口、翼形澆口應該增加到正常尺寸的3倍。

列印模具內聚合物的流動方向應該與3D列印線一致，避免粘滯和低壓引起的高填充。冷卻系統可在一定程度上提高模具的壽命，但不會明顯降低列印模具的循環次數，因為塑料模具的散熱能力不像鋁模或鋼模那麼好。

時機

盡管快速鋁模具有很多優勢，有些情況下3D列印模具仍會發揮重要作用。對於有3D列印機、且有足夠時間探索列印模具如何在注塑機上工作的廠家，也許他們認為應該直接列印模具。

當然，模具設計師必須理解如何製作功能模具，模具的重新設計與製作要花費大量成本。相關的技術人員與設備也很必要——模具噴砂的機械工人、頂針安裝、注塑機操作員等，因為這些參數的設置與傳統模具有很大的不同。

但是等等——為什麼不用DMLS?為什麼不直接列印金屬模具?DMLS使用激光和精密光學器件在細小金屬粉末床上逐層「畫」零件，生產的完全緻密的商業產品廣泛應用於航空、醫學領域。有些人預測未來鋁和模具鋼材料的模具也許將直接列印，能提供超高效的隨形冷卻水道，將大量減少注塑時間，延長模具使用壽命。某種程度上，DMLS直接列印模具速度慢且昂貴，通常只用於非常小、復雜的模具，或則加工那些通過傳統機加工方法很難製造的模具嵌入物。

實測可靠

總的來說，ProtoLabs認為最好使用DMLS、SLA或其他3D列印工藝做他們擅長的事：列印零件而不是模具。但是，如果滿足以下條件，3D列印注塑模具會是個可靠的替代。

1)小批量且相對簡單的零件，產品需要比較大的拔模角度。

2)工具與模具設計團隊要對3D列印模具的設計原則很熟悉。

3)有加工和裝配塑料模具的人員和設備。

最終設計考慮因素。如果你需要模具長期使用，一旦3D列印模具驗證了設計的合理性，下一步就是採用更為永久的材料製作模具，比如鋁或者不銹鋼，因為塑料模具主要小批量產品生產使用。由於3D列印模具和傳統模具的設計不同，項目時間和預算上要考慮一定次數的模具重設計和測試。

Ⅱ 3D列印金屬模具可行嗎

可以的，

3D列印金屬模具主要應用在隨形冷卻模具列印。

金屬模具冷卻系統是設計模具工程之一，當模具的塑膠原料加熱注入至溫度較低的模具後，需要等待模具冷卻才能取得成品，此時需仰賴著冷卻系統加以冷卻並且脫模。冷卻系統影響了脫模時間、製品質量、製品外觀等，影響質量很大。

模具的冷卻系統為水路，換句話說，水路的設計影響了模具的散熱質量。水路設計的目的是使製品均勻冷卻﹐並在較短時間內頂出成型，傳統的模具冷卻使用了簡易的方式，以直線的水路設計為主，製作較簡易，但需要的散熱時間較長。

異型水路與傳統水路比較

異型水路是模具產業所使用的特有製造技術，由於模流分析軟體的問世，設計者可以透過軟體分析模具與水路的散熱情形，縮短製造時程，提升製造質量。更進一步來看，模具的散熱水路設計方式也可以採用不規則形狀設計，提升散熱效率，這就是異型水路的基本原理。

然而，製作異型水路的方法受到了既有技術的限制，方式是將模具加以鑽孔或切割焊合，不僅施工十分復雜，模具的壽命也會因為二次加工的緣故而縮短，因此很長一段時間，異型水路設計只能停留在理論階段，不過金屬3D列印出現後，這些問題獲得了突破性改善。

為何金屬3D列印改變了水路設計的限制？這要從3D列印技術的說起，3D列印是近年進展迅速的工程技術，最大的優勢是3D列印的原理為增材製造，因此沒有造型上的限制，即使是物體內的復雜造型與管線，對3D列印來說並不構成困難，模具產業注意到3D金屬列印的價值。

不論是多少直徑的模具水路，或是一般車床難以施作的內角加工，金屬3D列印皆可輕易達成，更棒的是，即使異型水路的規劃方式復雜，金屬3D列印只要一次施作過程，皆能精準的同時完成模具與異型水路。

3D列印金屬隨形、異型水路模具帶來的效益，典型案例分析：

•模具設計時間減少75%

•製造端人力可以節省50%

•省下14％射出模具生產周期

•製造費用得以節省16%。