从模具制造全流程角度优化3D打印应用,提升模具企业竞争力
降本、提质、增效的实践是模具企业持续提升竞争力的不二法门，而选区激光熔化3D打印技术为实现这些目标提供了新的可能性。但尽管金属3D打印模具的优势已得到充分证明并已多次提出，但在模具制造领域的应用进展仍然缓慢。
那么，在应用增材制造技术的过程中，模具制造用户遇到了哪些挑战呢？怎样才能帮助模具企业克服这些挑战，加速引入增材制造技术并借助3D打印技术提升竞争力呢？精密制造企业GF 加工方案结合中国模具制造用户的3D打印应用实际情况以及面向模具制造全流程而提出的增材、减材集成化解决方案，就这些问题进行了分享。
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价值认知与技术的双重挑战
3D打印具有随形水路的模芯模仁可大幅缩短注塑周期，贴近产品表面的水路增加散热面积，可有效将模具因热分布不均匀的衍生问题降至最低。自这一技术在 2015 年商业化应用后，至今国内已有超过20 家企业配备共计 100 台以上的金属打印机，日夜生产模芯模仁，创造的行业总产值逾 1 亿人民币。但与高达3118.96亿人民币的国内模具市场规模相比，3D 打印应用仍处于产业化的初期[1]。
▲来源：GF 加工方案
那么，是什么原因阻碍了3D打印技术在模具制造中的迅速发展呢？关于这个问题，可以从两个层面来进行分析。一方面，企业对于3D打印模具的特定成本与产品生命周期认知不足，甚至只考虑到了3D打印工艺的高成本，而没有意识到这一技术在注塑零件质量、模具注塑周期等方面带来的附加价值。另一方面是对从传统减材技术向增材制造转型时可能会遇到的技术挑战的顾虑。
首先来看3D打印模具制造的特定成本及产品生命周期。很多模具厂在了解到3D打印这个单一工艺的成本后就已经踟蹰不前，但实际情况是，通常我们并不会整套模具都使用3D打印，而是选取模具的模芯或者需要特殊冷却的零部件来打印，再将其做为镶件镶进模具。
▲来源：GF 加工方案
同时，虽然金属打印的随形冷却镶件制作成本增加了，但是整体工时是缩短的。另外，在实际生产中，相较于单个工艺成本，我们更需要关注的是整体效益。通过3D打印的随形冷却水路，我们能够实现冷却时间的缩短和模具温度的迅速平衡。在获得更好的产品质量的同时通过生产周期的缩短而获得更高的产量，实现更好的效益。另一方面，即使工厂对同一模具的产量需求保持不变，却仍可以将通过3D打印而节省的时间和人员投入来生产其它的产品，获得更高的投资回报。
还有的模具企业虽然认知到了引入3D打印技术的价值，但对采用新技术仍有诸多顾虑，例如：目前3D打印模具的精度仍然无法满足成品模具的要求，绝大多数3D打印模具都需要再进行后处理。怎样进行各工艺之间的无缝衔接，顺利将3D打印技术融入目前的生产流程，在最短的时间能运用这一技术为企业创造效益？
这一担忧也不无道理，因为生产工艺的融合度高低直接影响了使用成本。
现实状况是企业对于生产工艺的融合度一般较低，而模具工件多为三维曲面加工，一个稍微复杂的模具零件 60% 以上均要同时应用到 CNC 加工中心、EDM 电火花机、慢走丝等加工设备。当工件在各种不同的设备之间轮转时需要重新装夹和调校水平度以确保其精度，在传统加工中我们已经可以非常熟练的使用夹具来解决这个问题。而在3D打印的模具上，由于没有增材专用夹具，业内普遍使用人工调校工件水平度、手动找中心点的方式，而这一环节又十分依赖于人员的熟练程度并受工件大小及复杂程度的影响，一般耗时 10 – 30 分钟。试想当下使用 3D 打印技术较普遍的电子烟外壳模具，一个批次超过 100 个的需求并不罕见，若每个零件都需要花上 10 分钟定位， 浪费的时间则相当惊人。
在此期间后端的加工设备完全停用，很大程度上制约了单台机器的生产能力。针对这个问题，GF加工方案将其非常成熟的 System3R 夹具方案整合到 3D 打印设备中，为零件提供了基准点，省去零件在不同机床间轮转时繁琐费时的定位工作，提升生产效率。
▲来源：GF 加工方案
另一个顾虑则在于对3D打印技术是否成熟到可以保证产品质量及稳定性的质疑。从目前常见的模具打印时所遇到的难题来看，模具寿命、开裂、漏水、堵塞等常见问题仍在不同程度的影响着3D打印技术在模具上的应用。分析这些技术问题的成因，我们不难发现单从增材制造工艺上优化改善是不够的，更重要的是此工艺与其他流程的搭配，包含产品设计、模具设计、加工，材料研发、到后期的注塑工艺流程等环节。而习惯于使用传统工艺的模具用户们想要从短期内迅速转换到增材制造的全流程思维，并产出最大的效益着实有难度。
▲GF 加工方案AMotion Center
为了协助模具用户克服这一难题，缩短学习曲线，降低失败成本，用最短的时间掌握3D打印技术并开启应用，将这一技术引入企业内部从而提升竞争力。GF在中国上海建立了亚洲区第一个增材制造应用创新中心-AMotion Center, 将软件与硬件，增材与减材集成于一体，为所有希望探索3D打印技术应用的客户提供了一个平台及示范。
除此之外，GF加工方案还在华东、华南以及西南各区域建立了模具 3D 打印创新平台，平台中汇聚了模具头部企业、材料供应商、注塑机厂家、品牌用户，将促进模具制造上下游企业之间的深度合作。
只有从更宏观的新高度评估、审视生产流程上的每一环节，才能真正解决模具企业应用 3D 打印可能存在的问题，并推动这一技术的产业化进程。而GF加工方案打通增材制造工艺链各个环节，形成了增材、减材完整解决方案，旨在改善金属增材制造生态系统，并以扎实的技术专长为模具制造提供支持。
参考资料：
[1] 中国产业信息.《2019年中国模具行业市场发展现状及前景分析》。
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