3D打印与注塑成型相辅相成

Alpine先进材料公司是航空航天、国防、航天和新兴交通等行业的定制工程和零部件制造商，该公司利用一种新的原型制作工艺，将可溶解模具用于高性能注塑复合材料。

 

利用Nexa3D的快速成型技术，Alpine公司能够比传统金属模具更快、更经济地生产出3D打印模具，从而弥补了测试和生产之间的差距。这些高等级的复合材料原型可以提供与金属相同的强度和耐用性，而重量仅为金属的一半左右。

 

挑战
事实上，传统的模具制造方法成本高昂。Alpine认为，注塑成型的传统方法需要在永久钢模具上进行大量前期投资，但这并不总是与客户在开发和生产过程中所处的阶段相一致。

 

虽然先进材料的大批量生产为客户带来了巨大的价值，但这也会给正在进行新设计的制造商带来挑战。

 

Alpine首席执行官David Brantner说：“我们的客户正在寻求可扩展的生产解决方案。他们希望我们能帮助他们从设计、原型到大批量生产。”

 

使用永久性钢制模具，快速生产原型零件以进行快速测试和验证的能力有限。此外，在钢模具制造完成后，对设计的反复修改是有限的，而且成本高昂，没有出错的余地。

 

对于先进的注塑成型材料，例如Alpine拥有独家专利权的多尺度增强聚合物HX5，如果没有钢材替代品，要开发优化的零件设计和模具就更加困难。有了Alpine的新型快速成型方法，像HX5这样通常由钢制模具注塑成型的材料现在可以通过FIM替代制造。

 

Brantner 说：“我们的客户面临的另一个挑战是如何简化供应链。”

 

由于各种原因，目前的高性能注塑成型零件供应链可能很难驾驭。例如，在采购高性能材料时，制造商和客户都面临着许多决定。成本和可用性只是必须考虑的两个因素。

 

在注塑模具的快速原型制作中，3D打印模具可以替代钢材。遗憾的是，独立的 3D 打印成本高昂，而且许多非金属打印工具无法承受复合聚合物极高的成型温度。

 

那么，客户和制造商如何才能找到一种工艺，以更高的规模制造出更简单的零件呢？

 

混合解决方案： FIM工艺 
在为客户的功能原型需求寻找解决方案的过程中，Alpine意识到3D打印模具和注塑成型的结合有可能在不需要大量模具投资的情况下生产出最终使用的零件。FIM利用了3D打印的速度和设计灵活性，以及能够成型高性能聚合物（如HX5）的模具材料。

 

利用Nexa3D的专利材料和XiP台式树脂打印机，Alpine现在使用FIM工艺，该工艺最初由丹麦Addifab公司开发，后被Nexa3D收购。FIM具有双重优势：通过树脂3D打印实现注塑模具的自由设计；通过专门配制的模具树脂xMold实现机械性能，这种树脂可以承受高性能材料的成型。

 

FIM工艺可概括为三个词：打印、注射和溶解。

 

打印：FIM是专为注塑模具制造而设计的工艺，因此精度高、公差小，设计自由度几乎不受限制。这主要归功于用于成型模具的可溶解 xMold 树脂。这种树脂与数百种可注塑成型的塑料兼容，包括一些增强型原料。

 

Nexa3D公司的XiP 3D打印机支持该工艺，但它也兼容其他树脂打印机。3D打印产生一个阴模，然后将其放入工具的模腔中。

 

注入：从这里开始，打印出的模具可与任何能满足所需注塑压力和温度的注塑机配合使用。注塑模具本身与复合材料、热塑性塑料、硅树脂和金属等传统注塑原料兼容，包括HX5等特种材料。

 

在 3D 打印出阴模并将其放入模具型腔后，Alpine将给定材料注入模具，使树脂硬化。但不是将部件从注塑模具中顶出（如传统的脱模工艺），而是将部件从模具中取出，但部件仍嵌入阴模中。

 

溶解：最后一步是溶解可溶性注塑模具，使注塑件脱模。

 

根据零件的大小和复杂程度，该过程需要将已填充的模具浸没在碱性水溶液中12-48小时。

 

FIM的优势
需要明确的是，Alpine并不是一家FIM公司。相反，FIM工艺的采用是出于必要，目的是让客户相信，在投资非常昂贵的生产工具之前，金属到非金属转换的价值。有了3D打印工具，Alpine可以支持更多的生成设计和反馈实施，并快速交付零件，同时让客户对最终工具设计充满信心。

 

“基本上，我们让客户知道，我们可以用先进的热塑性塑料制造他们通过传统钢制模具难以获得的零件，”Brantner说：“虽然原型的单位成本会高于批量生产的成本，但我们可以比传统制造方法更快地将零件送到客户手中。”

 

Alpine使用FIM工艺制造注塑模具时，客户有机会看到结果，并在对生产工具进行大量投资之前对结果完全满意。使用这种工艺，只需一到两天就能设计出模具，然后只需一天就能完成打印。

 

该公司表示，这种快速原型制造工艺为使用和探索用于高性能部件的新型热塑性材料扫清了障碍。破解这些热塑性材料的密码，为客户在验证测试、产品演示以及某些小批量初始生产方面打开了新的大门。

 

案例研究结果
当一家来自阿拉巴马州亨茨维尔的国防公司来到Alpine，要求快速生产用于演示无人驾驶飞行器 (UAV) 系统的部件时，FIM工艺所提供的短时间框架被证明是非常有用的。该国防公司需要的零件强度高于仅通过聚合物3D打印实现的强度，但其自身的金属加工能力已经耗尽，无法交付零件。

 

客户需要在三周内快速生产出高质量的注塑成型零件。

 

Alpine实施了FIM流程，在10个工作日内为客户设计、打印、注塑并交付了全部60个所需零件。该演示成功地使用了快速生产的零件。

 

Alpine先进材料公司与Nexa3D的合作为制造业的无限设计自由打开了新的大门。

 

通过利用Nexa3D技术和设备，阿尔派已能够解决与传统金属模具相关的挑战。FIM工艺本身使Alpine能够完成快速原型设计，提高零件强度、表面光洁度和耐用性，降低材料创新风险，最重要的是，降低了成本，减少了以前难以解决的时间限制。

 

FIM工艺打破了客户和制造商之间的壁垒，为先进工程和材料实验提供了安全的途径。

 

目前，Alpine正在努力改进利用FIM的方式，并解决该工艺带来的一些挑战，其中之一就是不断需要扩大工具尺寸，以满足客户对大型零件的需求。另一个挑战是在制作一个工具的过程中会浪费大量树脂（因为FIM工艺是一种牺牲工具的形式）。

 

Alpine正在探索其他方法，以便用单个3D打印模具生产中等产量的零件。公司将继续寻找更多先进的增材制造方法，以确保满足客户的需求，而不受量的限制。