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隨著時(shí)代的發(fā)展和生產(chǎn)力的變革，傳統(tǒng)與現(xiàn)代，傳承與創(chuàng)新也體現(xiàn)在現(xiàn)代日趨多樣化的生產(chǎn)方式上。
在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，擁有質(zhì)量高、成本低、速度快等特點(diǎn)的機(jī)械加工和注塑成型工藝等傳統(tǒng)制造技術(shù)，被奉為大批量生產(chǎn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如今，隨著縮減產(chǎn)品生產(chǎn)周期需求和人們對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化需求的日益高漲，給了新的制造技術(shù)嶄露頭角的機(jī)會(huì)。以注塑成型為代表的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式在堅(jiān)守標(biāo)準(zhǔn)，而以3D打印為代表的新型生產(chǎn)方式則在展現(xiàn)增材制造能力。二者常常被拿來(lái)比較，本期筆者將從成型原理、優(yōu)劣分析、生產(chǎn)模式、應(yīng)用范圍等多方面深入探討兩種技術(shù)。
成型原理 圖為：注塑成型原理
注塑成型工藝始于20世紀(jì)20年代，已有近百年的發(fā)展歷史，是目前使用非常廣泛、成熟的工業(yè)制造技術(shù)。其是指在一定溫度下，通過(guò)螺桿攪拌完全熔融的塑料材料，用高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成型品的方法。
3D打印的概念起源于上個(gè)世紀(jì)80年代，并于上世紀(jì)90年代中期，正式進(jìn)入人們的生活當(dāng)中。這是一種快速成型的技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬/塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。
圖為：選擇性激光熔融成型原理圖
工藝流程 注塑成型工藝過(guò)程主要包括填充——保壓——冷卻——脫模等四個(gè)階段，這四個(gè)階段直接決定著制品的成型質(zhì)量，而且這四個(gè)階段是一個(gè)完整的連續(xù)過(guò)程。
3D打印則可以實(shí)現(xiàn)一體成型，無(wú)需組裝，即可呈現(xiàn)最終產(chǎn)品。
優(yōu)劣勢(shì)分析 注塑成型優(yōu)勢(shì) •成型時(shí)要先鎖緊模具后才將熔料注入，加之具有良好流動(dòng)性的熔料對(duì)模腔的磨損很小，因此一套模具可生產(chǎn)大批量注塑制品。
圖為：注塑成型設(shè)備
•成型過(guò)程的合模、加料、塑化、注射、開(kāi)模和脫模等全部成型過(guò)程均由注塑的動(dòng)作完成，從而使注塑工藝過(guò)程易于全自動(dòng)化和實(shí)現(xiàn)程序控制。 •通過(guò)共注可成型多于一種以上的材料，可有效地成型表皮硬而心部發(fā)泡的材料，可以成型熱固性塑料和纖維增強(qiáng)塑料。 •生產(chǎn)效率高，二套模具可包含數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)型腔，因此一次成型即可成型數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)塑件。 •成型塑件僅需少量修整即可使用，在成型過(guò)程中產(chǎn)生的廢料可以重復(fù)利用，因此，注塑成型時(shí)對(duì)原料的浪費(fèi)很少。
注塑成型的缺點(diǎn) •注塑成型的關(guān)鍵器具是模具，但模具的設(shè)計(jì)、制造和試模的周期很長(zhǎng)，投產(chǎn)較慢。 •由于冷卻條件的限制，因此對(duì)于厚壁且變化又大的塑件成型較困難。 •由于注塑機(jī)和注塑模的造價(jià)都比較高，因此啟動(dòng)投資大，故不適合小批量塑件的生產(chǎn)。 •成型制品的質(zhì)量受多種因素限制，因此對(duì)技術(shù)要求較高，掌握的難度較大。
3D打印優(yōu)勢(shì) •節(jié)省材料，不用剔除邊角料，提高了材料的利用率，通過(guò)摒棄生產(chǎn)線而降低了成本。 •能做到較高的精度和很高的復(fù)雜程度，可以制造出采用傳統(tǒng)方法制造不出來(lái)的、非常復(fù)雜的制件。 •不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機(jī)床或任何模具，就能直接把計(jì)算機(jī)中的任何形狀的三維CAD圖形生成實(shí)物產(chǎn)品。 圖為：工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備
•可以自動(dòng)、快速、直接和比較精確地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。 •無(wú)需集中的、固定的制造車(chē)間，具有分布式生產(chǎn)的特點(diǎn)。 •能在數(shù)小時(shí)內(nèi)成型，讓設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)從平面圖到實(shí)體的飛躍。
3D打印的缺點(diǎn) •3D打印仍是比較昂貴的技術(shù)。由于用于增材制造的材料研發(fā)難度大、而使用量不大等原因，導(dǎo)致3D打印制造成本較高。 •在規(guī)?；a(chǎn)方面尚不具備優(yōu)勢(shì)，所以，對(duì)于生產(chǎn)有大量剛性需求的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的大規(guī)模生產(chǎn)仍比重點(diǎn)放在個(gè)性化、定制化的3D打印生產(chǎn)方式更加經(jīng)濟(jì)。 •打印材料受到限制。3D打印技術(shù)的局限和瓶頸主要體現(xiàn)在材料上。目前，打印材料主要是塑料、樹(shù)脂、石膏、陶瓷、砂和金屬等。 •精度和質(zhì)量問(wèn)題。由于3D打印技術(shù)固有的成型原理及發(fā)展還不完善，其打印成型零件的精度、物理性能及化學(xué)性能等很多不能滿足實(shí)際使用要求，不能作為功能性零件，只能做原型件使用，從而導(dǎo)致其應(yīng)用大打折扣。
所有材料 顧名思義，注塑成型工藝所使用的材料為塑料，常用塑料包括聚烯烴、氯乙烯、苯乙烯系樹(shù)脂、丙烯酸脂類(lèi)、酰胺樹(shù)脂聚、線性聚脂類(lèi)、氟塑料、纖維素塑料、耐高溫型樹(shù)脂等。
圖為：塑料材料
圖為：金屬粉末材料
相對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)而言，材料一直是制約3D打印快速市場(chǎng)化的重要因素，目前能夠用于3D打印的材料包括：PLA、ABS、PVA（水溶性支撐材料）、PC、HIPS、光敏樹(shù)脂、尼龍、金屬 (紅銅、鋁、青銅、不銹鋼）等 。
生產(chǎn)模式 注塑成型工藝只要有注塑模具，就可以低成本、大規(guī)模地生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，因此，對(duì)于傳統(tǒng)大批量、大規(guī)模制造來(lái)說(shuō)，目前注塑成型仍然是最佳選擇。
圖為：注塑成型產(chǎn)品
而3D打印不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機(jī)床或任何模具，就能快速、直接和比較精確地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，得益于3D打印機(jī)異于傳統(tǒng)注塑成型工藝的特性，越是復(fù)雜非實(shí)心的物體，加工速度越快，越節(jié)省原材料成本，因此比較擅長(zhǎng)個(gè)性化、多樣化產(chǎn)品的制造。
制造成本 由于注塑成型的原材料廣泛易得，其大規(guī)模、快速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的特性，也有利于降低單個(gè)產(chǎn)品成本，因此，從制造成本而言，注塑成型的成本遠(yuǎn)低于3D打印技術(shù)。 不過(guò)，對(duì)于工業(yè)制造來(lái)說(shuō)，3D打印真正節(jié)約成本的環(huán)節(jié)在于修改原型環(huán)節(jié)，修改原型只需要修改CAD模型，不會(huì)產(chǎn)生任何制造成本。
圖為：3D打印成型產(chǎn)品
而在注塑成型中，如果原型是鋼材模具，修改成本會(huì)相對(duì)較低，但如果使用的是鋁合金制模工具，成本就要高出很多。
應(yīng)用領(lǐng)域 目前，注塑成型工藝能夠?qū)崿F(xiàn)批量制造形狀一致的物品，因此非常適合大批量的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品制造。例如批量加工某一個(gè)部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，如生產(chǎn)玩具、航空、航天、電子、機(jī)械等領(lǐng)域。
圖為：注塑成型制造的零部件
圖為：3D打印零部件
3D打印只需通過(guò)控制終端輸入三維圖像，就能將原材料打印成實(shí)物模型，甚至直接制造零件或模具。目前廣泛運(yùn)用于教育創(chuàng)客、建筑設(shè)計(jì)以及醫(yī)療行業(yè)等。
3D打印是否會(huì)取代注塑成型？ 3D打印作為新興制造技術(shù)的代表，勢(shì)頭正盛，引發(fā)越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，注塑成型是傳統(tǒng)且較為成熟的生產(chǎn)方式，創(chuàng)新空間有限，由此引發(fā)關(guān)于3D打印是否會(huì)取代注塑成型工藝的討論。 對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的普通易耗品，更多的依賴(lài)批量化生產(chǎn)，3D打印并不會(huì)全部替代模具，只會(huì)使模具產(chǎn)業(yè)加快升級(jí)步伐，變得更為簡(jiǎn)單、方便、快捷、實(shí)用。對(duì)于高端工業(yè)品，材料、工藝才是核心競(jìng)爭(zhēng)力所在，時(shí)間成本也往往大于人力成本。 通過(guò)3D打印制作出來(lái)的注塑模具可取代用于短期產(chǎn)品和原型件。3D打印模具被用于生產(chǎn)原型件時(shí)，有助于找出設(shè)計(jì)問(wèn)題，避免耗費(fèi)大量資金制作設(shè)計(jì)不完善的鋁制或鋼制模具。
互為補(bǔ)充 共同完善制造業(yè)體系 3D打印技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)而言是一次重大的技術(shù)革命。它能夠解決傳統(tǒng)制造業(yè)所不能解決的技術(shù)難題，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和結(jié)構(gòu)性調(diào)整將起到積極的推動(dòng)作用。但傳統(tǒng)制造業(yè)所擅長(zhǎng)的批量化、規(guī)模化、精益化生產(chǎn)，恰恰是3D打印技術(shù)的短板。因此，3D打印技術(shù)本身不能取代傳統(tǒng)制造業(yè)，也不是要取代傳統(tǒng)制造業(yè)，而是要為傳統(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮動(dòng)力，成為傳統(tǒng)制造業(yè)的有益補(bǔ)充。
結(jié)束語(yǔ)：注塑成型延續(xù)批量化制造的優(yōu)越性，3D打印為小批量、個(gè)性化制造敞開(kāi)了大門(mén)?！爸髁鳌焙汀胺侵髁鳌钡纳a(chǎn)方式滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的不同需求。二者各有利弊，適用范圍不盡相同，現(xiàn)今階段，二者并非取代與被取代的關(guān)系，而是互為補(bǔ)充，填補(bǔ)制造短板與缺陷，完善制造體系。在具體選取中，可根據(jù)產(chǎn)品需求數(shù)量、成型難度、材料特性等因素綜合考慮。 | 
發(fā)表于 2021-3-22 09:47:03
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