在制造业中，有多种生产技术可以满足不同的需求。其中，注塑成型和3D打印。这两个过程各有优势，并且通常是互补的。为了更好地理解它们，我们将探讨它们的基本原理、独特特征、应用、市场制造商和所涉及的成本。
在讨论每项技术之前，及时对它们进行定位以便了解它们的来源是很有用的。注塑成型的历史可以追溯到1860年代，当时John Wesley Hyatt发明了赛璐珞（一种开创性的塑料材料）。后来，海厄特和他的兄弟以赛亚获得了第一个注塑系统的专利，该系统由一个活塞组成，可将熔化的赛璐珞压入模具中。整个20世纪，技术不断发展，詹姆斯·沃森·亨德利(James Watson Hendry)于1946年发明的旋转螺杆注塑机等发明至今仍是默认的注塑系统。
至于增材制造，它起源于20世纪80年代。第一个3D打印系统基于Chuck Hull开发的立体光刻技术，并于1986年获得商业专利。显然还有许多其他制造工艺，可兼容多种制造工艺。适用于不同应用和行业的材料。
注塑机和3D打印：它是如何工作的？
3D打印是如何工作的？
3D打印是一种通过从数字绘图中逐层添加材料来创建物体的生产过程。这种方法提供了极大的灵活性和精度，可以创建复杂的几何形状，而使用传统的制造方法（包括注塑成型）很难甚至不可能实现这些几何形状。增材制造涵盖不同的技术系列，这些技术在可用材料、能源和添加材料的方法方面有所不同。如果我们对它们进行一般性的分类，我们可以说主要有三种工艺：基于挤出的工艺、基于光聚合的工艺和基于粉末熔融的工艺。在每个系列中，都有需要独特设备的变体，这些变体不使用相同的材料，并且其结果明显不同。然而，每种技术都有明确的步骤来实现最终部分。
该过程首先使用计算机辅助设计(CAD)软件创建3D绘图。绘图完成后，将其转换为数字文件。数字模型以与3D打印机兼容的格式导出，例如STL、OBJ或3MF，然后将文件加载到切片软件或slicer中，该软件将模型转换为水平图层并生成G代码。此代码包含3D打印机将遵循的指令。实际的制造取决于所使用的打印技术。打印完成后，物体可能需要也可能不需要后处理，后处理可能包括支撑去除、打磨或热处理。
注塑成型是如何工作的？
顾名思义，注塑成型工艺涉及将熔融材料注入模具中，材料在模具中冷却并固化以形成最终部件。该过程从材料的选择和制备开始，材料可以是颗粒、粉末或预成型件的形式。尽管最常见的材料是塑料，但在此过程中也可以使用金属或玻璃。我们将更详细地介绍与该技术兼容的材料。材料准备好后，将其送入进料斗，然后从那里送入桶中。
注塑机剖析（照片来源：3ERP）
机筒内装有高温螺杆，在加热的同时旋转并推动物料。这种热量会熔化材料，使其变得粘稠和流动。值得注意的是，此阶段的温度最高可达200℃。一旦材料熔化，螺杆就会前进，并通过喷嘴系统将其在高压下注入模腔，类似于挤出机。注射时间可以很短，通常在0.1至2秒之间。一旦塑料被注射到模具中，由于模具温度较低，它几乎立即开始冷却和凝固。此外，模具还设有通风孔，有助于保持恒温并加速冷却过程。
当材料凝固后，关闭装置（可以是液压机或电动压力机）释放压力，导致模具打开并释放零件。最后，模具闭合并重复注射周期以生产下一个零件。需要注意的是，尽管存在不同类型的模具，例如多腔模具、双注射模具或混合模具，但它们由相同的基本结构制成以执行上述机械功能。铸件的后处理包括去毛刺、喷漆、表面处理或装配。
与注塑和3D打印兼容的材料
增材制造和注塑成型都使用适合各种应用和行业的多种材料。例如，在FDM 3D打印中，PETG、PLA和ABS等热塑性塑料由于易于挤出而占据主导地位。增材制造还使用热固性材料、弹性体和工程树脂。它可以加工金属（如钛和铝）和陶瓷，从而拓宽了其应用范围。有趣的是，某些工艺与注塑中使用的塑料颗粒兼容，以便找到相关材料的所有特性。让我们记住，3D打印中使用的细丝的成分会发生变化。
注塑成型的首选材料仍然是塑料。
与增材制造一样，注塑成型与多种材料兼容，这些材料在很大程度上具有相同的使用可能性（热塑性塑料、热固性材料、弹性体、金属和工程树脂，例如尼龙和聚碳酸酯）。这种多功能性使得能够生产耐用的汽车零部件、医疗级硅胶植入物和其他高性能零件。注塑成型能够加工致密材料，这使得它对于生产需要高结构完整性和尺寸精度的零件非常有用。
后处理
精加工和后处理对于提高3D打印和注塑成型零件的功能和美观特性至关重要。就3D打印而言，由于打印过程会产生粗糙的纹理和可见的层线，因此实现光滑的表面光洁度通常需要喷砂、抛光或化学处理等后处理技术。对于许多3D打印技术，特别是FDM、SLA、DLP和材料喷射，去除支撑是打印零件后处理的另一个关键步骤，特别是对于具有复杂几何形状或悬臂式的设计。一般来说，这些技术对于细化表面纹理、提高零件耐用性和确保尺寸精度至关重要，这对于需要高质量美观或功能表面的应用至关重要。然而，每种后处理技术都高度依赖于最初使用的3D打印技术。
树脂3D打印零件需要进行后处理以去除支撑物和多余的树脂
在注塑成型的情况下，后处理通常比增材制造的情况要少得多，因为模具可以将高质量的光洁度转移到零件上。然而，有时需要几个步骤才能确保最终产品符合所需的规格。最常见的后处理步骤之一是去除溢料，即在注射成型过程中从模具型腔逸出的多余材料。它通常使用去毛刺或切割工具进行，尽管在批量生产中经常使用自动化系统来加速这一过程。
注塑和3D打印的应用
这两种工艺都广泛应用于工业领域，每种工艺都利用独特的优势来应对特定的制造挑战、需求和机遇。增材制造在需要定制和复杂几何形状的行业中表现出色，例如医疗、航空航天、汽车和消费品。增材制造在原型设计和定制方面的灵活性在医疗领域中显而易见，个性化植入物和假肢是根据患者的个人解剖结构量身定制的，从而改善了治疗效果和患者的舒适度。
同样，增材制造的使用在航空航天领域也大幅增长，在高超音速导弹、火箭发动机或零重力3D打印机中出现了特定应用，以提高太空任务的自主性。航空航天工程师正在利用3D打印的能力来生产具有复杂设计的轻质耐用零件，因为这些组件可以通过减轻整体重量或优化传统制造方法无法实现的复杂几何形状，从而显着提高性能。
3D打印非常适合生产具有复杂设计的零件
此外，汽车制造商还利用增材制造技术，利用该技术进行快速原型制作、多次迭代和制造轻量化零件。这样可以快速且廉价地修改零件，并提高定制性。虽然使用该技术的行业在很大程度上重叠，但注塑成型在需要大批量生产和精确、一致的零件质量的行业中发挥着独特的作用。与增材制造一样，它在汽车、消费品和医疗器械行业很普遍，但原因却截然不同。
通过金属注射成型(MIM)制造的零件
注塑成型因其能够高效生产具有出色表面光洁度和高尺寸精度的标准化零件而受到青睐。具体来说，汽车应用依靠注塑成型来生产大量部件，例如保险杠、门把手、仪表板和车身外板，确保一致性并符合严格的行业标准。在消费品行业，注塑对于大规模制造塑料包装、容器、电子产品外壳和玩具至关重要，以保持产品的一致性并实现大规模生产。与3D打印一样，医疗行业也从注射成型中受益匪浅，尤其是注射器、导管和手术器械等医疗器械的生产。注塑在这一领域特别有利，因为它允许医疗保健专业人员使用满足严格的生物相容性和尺寸精度监管要求的设备。
优点和局限性
注塑成型以其大批量生产的效率和成本效益而闻名，使其成为各行业高性能制造的基石。注塑成型的主要优点是能够以最小的材料损失生产大量相同的零件。模具创建后，生产过程很快，每个周期都会生产一个完全成型的零件，使其成为消费品和电子行业大规模生产的理想选择。随着产量的增加，这种效率转化为显着的单位成本节省，使得初始安装成本对于许多公司来说是值得的。对于大规模生产来说，注塑成型正变得极具成本效益。
注塑成型的主要优点是可以大批量生产相同的零件。
然而，注塑成型面临着重大挑战，特别是在准备时间和初始投资方面。模具设计和制造可能需要数周甚至数月的时间，具体取决于要生产的零件的复杂程度。如此长的交货时间使得注塑成型在进行快速设计变更时的灵活性大大降低。与制造模具、购买机械和获取材料相关的高昂前期成本可能会限制许多小型企业和初创企业进入市场。
设计约束也起着至关重要的作用，因为复杂的几何形状和内部特征可能很难在不影响零件完整性或显着增加设计新模具的成本或生产时间的情况下成型。此外，浇道（熔融材料进入模具的入口点）必须经过精确设计和校准，以确保材料均匀流入模具，防止变形和过早冷却。尽管存在这些障碍，一旦克服了模具制造的初始投资，每个零件的价格就会随着产量的增加而大幅下降。
另一方面，与注塑成型相比，增材制造所需的准备时间最短，这使其对于快速原型制作和按需生产非常有用。这种实施速度对于航空航天和汽车等快速发展行业的公司特别有利，这些公司受益于快速迭代和缩短的交付周期，从而能够实现显着的节省。当需要改变设计时，例如在快速原型制作中，3D打印可以进行快速、经济高效的调整，而注塑成型则需要昂贵的模具更换或更改。
此外，增材制造在可持续性方面比注塑成型具有明显的优势，因为它在大多数情况下显着减少了材料浪费。该工艺的附加性质意味着材料仅在需要时才沉积，从而最大限度地减少浪费。虽然与传统方法相比，注塑成型相对耐用，但增材制造擅长不会因浇口未对准或剩余材料而产生废物。
来源：Materialise
虽然初始设置很快，但3D打印的实际生产速度比批量生产的注塑成型慢。此外，尽管行业不断进步，3D打印零件的表面精加工通常需要大量的后处理才能实现所需的纹理或美学质量，而3D打印零件通常不会出现这种情况。这增加了生产过程的时间和成本，特别是对于需要高质量精加工的零件。此外，3D打印的入门价格可能会根据其所使用的行业而有很大差异，这决定了它是低成本还是高成本选择。尽管增材制造是一种可靠且普遍负担得起的制造选择，具有无与伦比的设计灵活性，但它通常不是大规模生产简单、统一组件的经济选择。
制造时间
尽管不可能给出每个阶段的确切时间表，但存在决定因素。例如，在注塑成型的情况下，模具准备可能需要很长时间，因为它包括设计、制造和加工模具。事实上，模具的设计不仅考虑零件的结构，还考虑模具周围的整个机构、冷却系统、通风口、注射通道等。对于要打印的零件，设计时间仅关注零件，当然还有支撑件。在这两种情况下，设计时间都会根据零件的复杂性以及实现所需结果所需的修改而有所不同。
塑料瓶生产模具示例
至于实际生产时间，增材制造取决于零件的几何形状、打印分辨率、使用的材料和技术。例如，打印小型、简单的零件只需几分钟，而打印大型零件可能需要数小时甚至数天。另一方面，注塑成型速度要快得多，因为机器经过校准，可以如此精确地重复注射材料，从而可以在几秒钟内生产出大量零件。二手注塑机回收
注塑和3D打印的成本
另一个要点是生产成本。工业注塑设备的初始投资范围从50,000美元到超过200,000美元不等，具体取决于机器的尺寸、容量和技术规格。请注意，我们也开始看到小规模生产的解决方案。在3D打印机方面，根据所使用的工艺、尺寸等，价格差异很大。这两种工艺之间的主要区别之一是增材制造不需要模具投资。事实上，模具是最昂贵的组件之一，尤其是当它们非常复杂时。模具的成本可能高达100,000美元。
软件是另一项投资。这两个过程都需要软件来进行过程设计和监控。由于这两种工艺的投资都是独特的，除了专业的报价服务之外，还有在线计算器可以作为制造计算的参考点。Hubs、ICOMold或CustomPart是注塑成型计算器的示例；对于增材制造，有AMOTool或ShatterBox等解决方案。在这两种情况下，重要的是要记住还有安装成本、上市时间、投资、维护、劳动力和材料。
注塑成型是大批量相同零件的理想选择
虽然增材制造仍然被认为是小批量项目、定制零件和快速原型制造的理想选择，但这种情况似乎在未来几年会发生变化。事实上，正如Protolabs最近发布的一份关于市场趋势的报告所强调的那样，越来越多的专业人士正在转向增材制造来大量制造以前使用注塑成型等传统技术制造的零件。
