下圖為某產(chǎn)品的試制品以及所使用的試制模具(圖1)。該產(chǎn)品是被稱為“保濕凝膠襪”的足部保健用品，由AKAISHI公司(總部位于靜岡市)研制開發(fā)。
圖1 利用三維打印機(jī)制作的射出成型用試制模具：頂層模具、底層模具、內(nèi)部模具均為應(yīng)用聚砜(PPSF/PPSU)材料三維打印機(jī)制作而成。試制品采用厚度2.5mm的彈性材料，和制成品具有相同厚度和材質(zhì)。進(jìn)行射出成型時的樹脂溫度在200℃以上。
保濕凝膠襪的材質(zhì)為彈性材料，厚度為2.5mm。雖然外形看起來很簡單，但內(nèi)部設(shè)計制造了細(xì)小的突起。在對彈性材料進(jìn)行射出成型時，不但需要200℃以上的高溫，而且射出速度也要非常快。因此，要求模具具有高耐熱性和高強(qiáng)度。
高耐熱性的樹脂模具
AKAISHI公司在開發(fā)保濕凝膠襪時，之所以利用三維打印機(jī)(三維積層造形)來制作試制模具，是因為“希望試制品與制成品具有相同材質(zhì)”(該公司商品開發(fā)部門功能設(shè)計組&模具制造組負(fù)責(zé)人村岡真)。由于產(chǎn)品需要很柔軟的感覺，所以，不僅要評測靜態(tài)形狀和大小，而且要評測用戶實(shí)際穿著時會怎樣變形，以及是否產(chǎn)生収縮等感覺。但是，利用三維打印機(jī)直接制作的試制品無法實(shí)現(xiàn)這種特性，而且如果需要反復(fù)制作模具，也就意味著無法降低成本，以及短工期。
因此，該公司決定嘗試?yán)萌S打印機(jī)來制作試制模具。為此引進(jìn)了可以溶融熱可塑性樹脂的同時形成積層的三維打印機(jī)，從而快速低廉地制作出了所需要的模具。
但是，如上所述，為進(jìn)行保濕凝膠襪成形，模具要求具有高耐熱性和高強(qiáng)度。所以，該公司在三維打印機(jī)可以使用的多種樹脂中選擇了聚砜(PPSF/PPSU)。這種材料耐熱溫度高達(dá)約200℃，在所有可用材料中為最高。
盡管如此，該公司在使用PPSF/PPSU材料的試制模具時，還是進(jìn)行了一些改進(jìn)。首先是脫模性。根據(jù)使用原理，使用三維打印機(jī)會使模具表面產(chǎn)生微細(xì)的段差，從而會降低脫模性。雖然對模具表面進(jìn)行了輕微打磨，仍然不能完全消除段差。所以，該公司在該模具表面涂布了某種粉末(界面活性劑)，從而提高了脫模性。
其次是強(qiáng)度。射出成型機(jī)以最大速度澆注樹脂時，模具到底能否承受住?“說實(shí)話，我們心里沒底”(村岡真)。和普通模具比起來，試制模具雖然制作上比較快速、而且成本低廉，但如果每次成形時都出現(xiàn)破損，其優(yōu)勢也就蕩然無存了。所以，該公司另外制作了成形時需要承受最大力道的注塑口部分。這樣一來，即使萬一出現(xiàn)破損，也可以將損失控制在最小限度。
將利用三維打印機(jī)制作的PPSF/PPSU材料試制模具安裝到射出成型機(jī)上進(jìn)行成形時，順利地制造出了試制品。“雖然將溫度提高至300℃，但注塑口部分依然沒有出現(xiàn)破損，不過由于是初次嘗試，我們堅持了安全優(yōu)先的原則。”(村岡真)。作為試制品使用的模具，雖然能夠經(jīng)受住20～30次的澆注已經(jīng)足夠，但該模具估計可承受100次以上的澆注。
這樣做的結(jié)果是，試制模具制作時間從以前的1周縮短至1個晚上。為節(jié)約成本，模具整體沒有制成實(shí)心，而是進(jìn)行了改進(jìn)。從背面觀察時，采取了以加強(qiáng)筋對成形面進(jìn)行強(qiáng)化的構(gòu)造，最大限度地降低了材料費(fèi)，減為以前的約1/10。
按照產(chǎn)品材質(zhì)而區(qū)別使用
AKAISHI公司最初引進(jìn)的三維打印機(jī)與上述有所不同，可使用的材料為ABS樹脂中的1種。最初曾經(jīng)以健康器具等為核心，利用ABS樹脂來制造試制品*1。(*1 該三維打印機(jī)是在利用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行的試制過程中，作為切削加工的補(bǔ)充輸出機(jī)械來引進(jìn)的。)
但是，對于類似彈性材料的柔軟材質(zhì)材料，則無法用ABS樹脂的試制品進(jìn)行替代。雖然僅僅是確認(rèn)形狀也并非不能使用，但在健康器具上，人體接觸部分的硬度等直接影響到使用的感覺。“因此我們考慮，如果不能采用三維打印機(jī)直接造形，那么，是否可以制作射出成型模具來進(jìn)行成型呢?”(村岡真)。
基于以上考慮，該公司引進(jìn)的是不僅能使用ABS樹脂，還能使用聚碳酸酯(PC)和PPSF的三維打印機(jī)。首先，利用耐熱性和強(qiáng)度都很優(yōu)良的PPSF材料制作了試制模具。但是，試制類似細(xì)刷的產(chǎn)品模具時，彈性材料的試制品不容易從模具上取下。原因是，在以PPSF材料可實(shí)現(xiàn)的最小積層厚度(0.254mm)范圍內(nèi)發(fā)生的模具表面段差，會使成形制品的表面產(chǎn)生巨大摩擦力。
因此，該公司這次采用PC材料制作了模具。因為PC材料可以實(shí)現(xiàn)比PPSF更薄的0.127mm積層厚度。結(jié)果，彈性材料的試制品順利地從磨具上取了下來(圖2)。同時，PC材料無論在耐熱性方面還是強(qiáng)度方面都無可挑剔。
結(jié)果，該公司得出結(jié)論，“彈性材料的試制品幾乎都可以利用PC材料模具來實(shí)現(xiàn)”(村岡真)(圖3)。不過，正如本文開頭介紹的那樣，由于即使采用彈性材料，在需要更高耐熱性和強(qiáng)度時，試制品還是會發(fā)生破損等情況，因而沒有使用PC材料，而是使用了PPSF/PPSU材料的模具(圖4)。
圖2 以聚碳酸酯(PC)制作的試制模具：在細(xì)長突起(直徑約1.5mm)密集排列的電刷試制方面，要求具有高脫模性。由于PC可以進(jìn)行高精度(細(xì)小段差)造形，適于這種形狀的試制模具。
圖3 利用PC試制模具進(jìn)行滾輪成形而制造的按摩器具：為了檢驗該產(chǎn)品(按摩器具)的使用感覺，接觸用戶肌膚的部分要使用和制成品相同的材質(zhì)。因此，利用三維打印機(jī)制作出的試制模具進(jìn)行滾輪成形，除此之外，部件直接利用三維打印機(jī)進(jìn)行了試制。
另外，在進(jìn)行PA和聚丙烯(PP)材料的試制品成形時，該公司根據(jù)產(chǎn)品的材質(zhì)而對試制品的制作方法和材質(zhì)進(jìn)行了調(diào)整(圖5)。例如，因耐熱性問題而要使用PPSF材料的模具等。如上所述，產(chǎn)品材質(zhì)即使采用彈性材料，模具的材質(zhì)基本上仍以PC材料為主，有時會根據(jù)需要而使用PPSF。產(chǎn)品材質(zhì)為PA時，可用PC材料進(jìn)行試制品直接造型而起到替代作用，所以，根據(jù)情況會分別采用射出成型和直接造型兩種方式。
圖4 破損的試制模具：射出壓力大時，進(jìn)行成形可能導(dǎo)致模具出現(xiàn)破損。AKAISHI公司為防止忘記這樣的失敗教訓(xùn)，保留了破損的試制模具。
圖5 試制方法的區(qū)別使用：產(chǎn)品材質(zhì)為ABS和PC時，將考慮是否使用以三維打印機(jī)直接造形的試制品。當(dāng)需要PA、PP和彈性材料的試制品時，以三維打印機(jī)制造PPSF或者PC模具，進(jìn)行射出成型。而材質(zhì)為PA時，PC的直接造形也將成為選項之一。
該公司為了進(jìn)一步發(fā)揮三維打印機(jī)的優(yōu)勢，目前正在嘗試對制作的模具表面進(jìn)行電鍍。這一措施也是為了解決積層造形永恒的課題——段差*2而導(dǎo)入的。如果通過電鍍提高了脫模性，那么可用材料的種類將有望大幅增加。(*2 現(xiàn)在雖然對表面進(jìn)行了簡單打磨，但聚氨酯等對于模具段差的附著力很強(qiáng)，無法進(jìn)行成型。)
該公司不僅進(jìn)行自家產(chǎn)品的試制，還開始從外部承攬設(shè)計和試制業(yè)務(wù)*3。所以，該公司希望充分利用三維打印機(jī)優(yōu)勢，不斷增加試制模具等業(yè)務(wù)的訂單數(shù)量。(*3 AKAISHI公司開展這項業(yè)務(wù)時，曾經(jīng)新組建了稱作Modeling group的部門。此外，該公司在官方網(wǎng)站之外，還另外推出了介紹Modeling業(yè)務(wù)的網(wǎng)站(URL：http://3dmodeling.jp/)。 )
沖壓加工也使用樹脂模具
通過三維打印機(jī)來制作射出成型使用的試制模具，可以提高試制工藝的效率。三維打印機(jī)原本就擁有多種方式，可用的材料也極為豐富。除了利用三維打印機(jī)進(jìn)行試制品直接造型之外，如果考慮借助三維打印機(jī)制作的模具，能夠快捷低廉地獲得的試制品就隨之?dāng)U大到更大范圍。
圖6 利用三維打印機(jī)制造的沖壓加工用樹脂模具：在燃燒器試驗中，雖然金屬沖壓部件必不可少，但如果在試制階段制作模具，反復(fù)試驗的話則會導(dǎo)致成本和時間的浪費(fèi)。如果可以利用樹脂模具進(jìn)行金屬沖壓加工，這一課題就可以迎刃而解。三菱重工得出結(jié)論認(rèn)為，對于厚度5mm以上的鎳合金平板，可以采用以三維打印機(jī)制作的樹脂模具進(jìn)行沖壓加工。
作為模具的使用方式，不僅可以用于射出成型，此外，還可用于沖壓加工。在三菱重工的高砂制作所，為進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器構(gòu)成部件的試制，正在研究采用以三維打印機(jī)制作的樹脂模具(圖6)。
樹脂模具可以用于以沖壓成型來使厚度5mm以上的鎳合金平板彎曲。目前正處在“將樹脂模具安裝于沖壓機(jī)上，從而確認(rèn)能否使金屬板彎曲的階段”(三菱重工原動機(jī)業(yè)務(wù)本部葉片和燃燒器制造部生產(chǎn)技術(shù)課課長原口英剛)。
此外，高砂制作所正在將三維打印機(jī)用于精密鑄造領(lǐng)域的脫蠟鑄造(LOST WAX)利用的部分模具。雖然模具主體為金屬，但因設(shè)計變更等需要改變形狀時，則以三維打印機(jī)制作一部分模具，同時再配合普通模具進(jìn)行蠟?zāi)３尚巍?/span>
高砂制作所最初引進(jìn)三維打印機(jī)是在2006年。在那之前，曾經(jīng)從外部采購利用光硬化性樹脂進(jìn)行三維積層造形所生產(chǎn)的試制品，但是“由于價格高、交貨慢、以及過程麻煩等原因，每年只能在大約5件重要部件上加以使用”(原口英剛)。外部采購的成本為50萬～100萬日元，不但時間上需要數(shù)個星期，而且和供貨方之間的談判、保密合同和數(shù)據(jù)傳送等都非常繁瑣。
在研究如何更加容易、而且快捷低廉地獲得試制品的時候，高砂制作所偶然獲得了某三維打印機(jī)半年時間的免費(fèi)使用權(quán)。借著這個機(jī)會,該公司對以后引進(jìn)三維打印機(jī)時，將可能有哪些用途，開始走訪設(shè)計和制造一線。此時，親眼看到利用三維打印機(jī)制作的立體模型實(shí)物后，由切身體驗終于產(chǎn)生了需求。
高砂制作所根據(jù)調(diào)查結(jié)果得出結(jié)論，對強(qiáng)度的要求是最高的。雖然也有人強(qiáng)調(diào)透明性和精度等，但在設(shè)計評審(DR)和形狀確認(rèn)(初期討論)等用途上，實(shí)際不需要那么高的精度(圖7)。
與上述相比，作為組裝性驗證和制造現(xiàn)場的夾具等使用時，如果出現(xiàn)損壞就將豪無用處。在實(shí)施流量試驗等功能試驗時，由于試驗機(jī)內(nèi)部經(jīng)常形成高圧，所以必須認(rèn)真擰緊螺栓。
因此，決定優(yōu)先確保強(qiáng)度，從而選擇了可以溶融ABS樹脂等熱可塑性樹脂，同時形成積層的三維打印機(jī)*4。(*4 在高砂制作所，共有4臺樹脂熔融三維打印機(jī)正在運(yùn)轉(zhuǎn)。 )
圖7 燃燒器的試制品：利用不同顏色對部件的種類進(jìn)行區(qū)分，更加容易把握部件的關(guān)系。由于比實(shí)物更小、更輕，從而可以輕松地從多個角度來觀察確認(rèn)形狀。
在那之后，對精度的要求也越來越高。例如，作為教學(xué)用途等的試制品，需要將渦輪葉片1枚1枚進(jìn)行準(zhǔn)確的再現(xiàn)(圖8)。所以，引進(jìn)了以粘接劑來固定石膏等粉末材料的高精度三維打印機(jī)。這就形成了2種三維打印機(jī)區(qū)別使用的體制。
圖8 用于教學(xué)的渦輪小型模型：為了提高對新入員工和海外合作伙伴的教學(xué)效果，利用三維打印機(jī)制作了立體模型。由于是采用設(shè)計數(shù)據(jù)而制作的，產(chǎn)品形狀得到了忠實(shí)的再現(xiàn)，在文字和圖紙上難以完全表現(xiàn)的構(gòu)造和功能的說明方面具有很大作用。軸和葉片等部件分別一一造形，再進(jìn)行組裝。
現(xiàn)在，高砂制作所不僅進(jìn)行試制時，還在其它眾多情況下采用了三維打印機(jī)。例如，在制造一線，正在用于劃線的夾具(圖9)和涂布遮蔽夾具等。由于可以在短時間內(nèi)以低成本制造出少量夾具和量規(guī)，現(xiàn)在能夠輕而易舉地制造出原來難以制造的夾具。
圖9
