快速、实惠、出色。以低成本兼具速度和质量一直以来都是制造领域的不懈追求,而人们普遍认为,同时实现这三点并不可能。在制造塑料部件时,大多数工程师都认为注射成型是满足这三点要求的最佳解决方案,因为其周期时间短、材料强度高、单件成本低廉。但随着 3D 打印技术的不断创新,情况真的还会如此吗?
2024 年 4 月,我们将 Form 4 与注射成型进行了对比,以展示 3D 打印已经取得的长足进步:在低成本、速度和质量方面,它可以与注射成型相媲美,甚至优于注射成型。评论中充满了各种问题。现在,随着 Form 4L 的发布,其成型体积是 Form 4 的 4.6 倍,我们决定再次进行这项测试-生产 Form 4 树脂混合器锁销。通过两台 Form 4L 掩模立体光固化 (MSLA) 3D 打印机和注射成型对比,我们详细证明了 Form 4 系列 3D 打印机的超快速度可以超越传统的注射成型。
在下文中,我们将详细介绍生产最终用途部件的成本、时间和机械性能,解决读者有关 3D 打印部件成本、后处理和机械性能的疑问。
制造 Form 4 树脂混合器锁销
生产工艺:注射成型与 3D 打印
Form 4 树脂混合器锁销是 Form 4 混合器的组件,该配件可安装到 Formlabs Form 4 系列打印机的树脂槽中,用于在打印过程中保持树脂在树脂槽中的均匀性,从而提高材料性能。在这次测试中,我们对两个生产操作进行计时,比较生产 1000 个最终用途部件的时间:实际合同制造商使用注射成型,以及两台 Form 4L 大幅面树脂 3D 打印机。
混合器锁销将树脂混合器固定在 Form 4 上。
在注射成型方面,我们与一家位于台湾的合同制造商合作,该制造商为多代 Formlabs 3D 打印机制造组件,包括树脂槽、树脂盒和混合器。本次测试使用的双腔模具是用于批量生产 Form 4 树脂混合器锁销的真实模具。

合同制造厂的注射成型机占地 10 平方米。
在与 3D 打印的对比中,我们使用了两台大幅面 Form 4L 3D 打印机,它们专为高产量生产而设计,成型速度快,构建面积大。相关设置还包括一台 Form Wash L 和一台 Form Cure L 用于后处理。在材料方面,我们选择了 Black Resin V5,这是一种坚硬结实的通用树脂材料,可以制作出用于展示的哑光部件。

Form 4L 制造设置
3D 打印装置占地约三平方米,包括:
- 2 台 Form 4L
- 2 个 Resin Pump
- 2 个 5L Black Resin 容器
- 1 台 Form Wash L
- 1 台 Form Cure L
在实际注射成型环境中,每个周期需要 50 秒,一次生产两个部件。可以通过增加模具型腔来提高速度,从而增加每周期的制造部件数量,也可以通过改变工艺来缩短周期时间,但这是我们和合同制造商共同决定的最契合生产需要的工艺。正如下文所述,如果部件产量超过 13000 件,注射成型将成为更经济的生产方法。
使用 Form 4L,每次打印任务可以打印 78 个部件,这意味着生产 1000 个部件需要打印 13 次。Form 4 系列打印机使用的专有 Low Force Display™ 打印技术实现了快速打印,并调整了 PreForm 的打印设置编辑器,以进一步提高速度。自定义打印设置的层高为 150μm,减少了完成打印所需的层数,并提高了辐照度和曝光度,缩短了每层所需的打印时间。在此了解如何使用打印设置编辑器。
部件生产时间
注射成型 | 3D 打印 | |
---|---|---|
每周期/打印部件数 | 2 | 78 |
每周期/打印时间 | 50 秒 | 48 分钟 |
周期/打印次数 | 500 | 13 |
部件总数 | 1000 | 1014 |
总时间 | 6 小时 59 分钟 | 5 小时 56 分钟 |
注射成型和 3D 打印部件均需要进行一些后处理过程。注射部件需要移除浇口和流道。树脂 3D 打印部件必须进行清洗和固化,并移除内部支撑。在这两种情况下,后处理都可以由操作人员在生产过程中完成,这意味着后处理只增加了最后一周期部件的生产时间。

备货时间比较:六周与当天
虽然逐项比较只关注生产时间,但生产时间表从制造用于注射成型的模具开始。制作此类尺寸和复杂程度的模具通常需要数周时间,只有支付 2-3 倍的溢价才能加快速度。从最终确定的部件设计到部件后处理,一般需要 4-6 周时间,其中包括可制造性设计、模具切割、生产和加工。
相比之下,3D 打印不需要任何工具,部件可以当天打印完成,无需额外成本。这意味着,在注射模具设计最终确定之前,就可以通过 3D 打印完成短期生产。
单件成本详解:成本降低 85%
由于不需要模具制作成本,3D 打印作为一种生产少量部件的廉价方式已得到广泛认可。这种良好的声誉也适用于此:以 1000 个部件计算,3D 打印的成本比注射成型低 85%。我们对数字进行了分析,发现两种方法的盈亏平衡点是 13050 个部件。

外包注射成型制造 1000 个部件需要 3920 美元,而使用 Form 4L 进行内部 3D 打印仅需 600 美元。

单件成本与产量的函数关系。在生产低于 13050 个部件时,3D 打印是更具成本效益的解决方案。批量采购树脂折扣可以进一步降低 3D 打印单件成本,根据树脂采购量的不同,盈亏平衡点可超过 4 万个部件。
由于对模具制作的前期资金投入巨大,每个部件的注射成本随产量的变化而显著不同。用于成型混合器锁销的注射模具成本 3600 美元。此外,合同制造商对每个部件收取 32 美分的材料费、人工费和管理费。
另一方面,3D 打印无需制作模具,因此单件成本(由硬件、耗材和人工组成)随产量变化较小。
为了进行比较,我们将整个装置成本摊销为 3 年,包括购买打印机的资本投资和运营成本,包括空间、电力、维修和清洗部件的溶剂。在高产量情况下,硬件成本对单件成本的影响几乎可以忽略不计。
提及材料成本时,Form 4 树脂混合器锁销使用的是 6mL Formlabs Black Resin,如果购买 5 升装容器,现在的价格是每升 65 美元,这意味着每个部件的材料成本是 40 美分。作为一家垂直整合的制造商,Formlabs 提供了可观的数量折扣,树脂低至每升 35 美元,因此对于大批量生产来说,单件成本最多可降低 50%。请联系销售,了解有关批量树脂定价的更多信息,并为您的特定应用自定义单件成本明细。

对于 Form 4,最大的成本因素是劳动力。与 Form 4L 相比,Form 4 的构建区域更小,每个打印任务可打印的部件数量只有 Form 4L 的一半,这意味着要达到目标部件数量,需要两倍以上的打印任务量。因此,在使用 Form 4 时,操作人员准备打印和后处理打印部件的时间将是 Form 4L 的两倍多,每小时的人工成本也相应较高。我们在模型中假设每小时的人工成本为 30 美元;在单件成本计算器中可以调整该值。
按指定部件数量计算的总成本
费用类别 | 外包 IM | Form 4L | Form 4 |
---|---|---|---|
硬件(资本+运营) | 0 美元 | 29 美元 | 22 美元 |
耗材(材料 + 树脂槽) | 0 美元 | 408 美元 | 409 美元 |
人工 | 0 美元 | 163 美元 | 370 美元 |
模具制造 | 3600 美元 | 0 美元 | 0 美元 |
外包任务成本(材料 + 人工 + 管理费用) | 320 美元 | 0 美元 | 0 美元 |
计算单件成本的方法有很多种,这只是其中一种。例如,我们在计算中省略了运费和关税,因为相关费用因地而异。如果是注射成型,这可能需要额外支付 500-1000 美元,而内部 3D 打印则不会产生运费。

材料选择和机械性能:适合最终应用
观看 2024 年 4 月视频的观众曾质疑 3D 打印部件是否经得起频繁使用。一直以来,SLA 树脂都非常脆,不适合用于最终用途部件,但 Formlabs 新一代通用树脂的强度和硬度与 PET 不相上下。由于 Black Resin V5 的强度和硬度符合部件的使用要求,因此选择该材料进行这项测试。此外,光滑的哑光黑色表面也符合该部件的审美偏好。
Black Resin V5 | PET | |
---|---|---|
极限拉伸强度 | 54MPa | 58MPa |
拉伸模量 | 2500MPa | 2400MPa |
弯曲强度 | 91MPa | 84MPa |
弯曲模量 | 2450MPa | 2500MPa |
锁销设计要求在坚硬和可塑性之间取得平衡:必须足够坚硬才能发挥杠杆作用,同时又要具有足够的可塑性才能卡入和卡出到位。Black Resin V5 的机械性能可满足该部件正常使用的物理要求。如需查看该材料的其他性能,下载 Black Resin V5 的技术数据表。
我们制作了循环测试仪,对部件进行了数百次的锁定和解锁。测试结束时,3D 打印部件仍在正常工作。

优胜者:使用 Form 4L 进行 3D 打印
无论是否计算备货时间,3D 打印在制造 1000 个部件的竞争中均优于注射成型,前者的制造时间为 1 个小时,后者则为 6 周。此外,对于 1000 个部件的制造成本,3D 打印也较注射成型低 85%,而在制造低于 13050 个部件时,3D 打印是更具成本效益的解决方案。最后,Black Resin V5 具有适合我们最终用途的机械性能要求。
并非任何情况下,3D 打印都更加出色,结果还取决于您的设计、应用和许多其他因素。但 3D 打印曾一度被认为速度太慢、成本太高、性能太差,无法用于最终用途部件,而现在,3D 打印已成为大量应用的可行制造选择。
我们了解持怀疑态度的读者仍会有疑问。请使用我们的交互式成本计算器,亲自探索 3D 打印与注射成型在时间、成本和数量上的权衡,或与 3D 打印专家交谈,了解 3D 打印如何满足您的制造需求。