
使用 3D 打印模具进行小批量快速热压成型
无论您是想用成品材料设计功能性原型、在试生产期间制作部件还是制造成品部件,3D 打印快速模具制作都是一种速度快且颇具成本效益的部件生产方法。
本白皮书提供 3D 打印成型热塑性塑料的方法和指南,其中包括建议和成型条件。了解按需定制工具如何提高制造过程的灵活性,加快产品开发并将创新产品推向市场。
使用 3D 打印模具进行小批量快速热压成型

无论您是想用成品材料设计功能性原型、在试生产期间制作部件还是制造成品部件,3D 打印快速模具制作都是一种速度快且颇具成本效益的部件生产方法。
本白皮书提供 3D 打印成型热塑性塑料的方法和指南,其中包括建议和成型条件。了解按需定制工具如何提高制造过程的灵活性,加快产品开发并将创新产品推向市场。
简介
热压成型工艺


热压成型是在模具上成型加热塑料片材的一系列制造工艺。该工艺广泛用于生产一次性食品及医疗包装、消费品和家电,也可用于汽车零部件和火车内饰等重型应用。热压成型工艺用途广泛:根据技术的不同,可用于单件产品或批量生产,单位成本为低到中等。
热压成型主要包括三种方法:
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真空成型是其中最简单、最经济也最常用的方法。在真空成型过程中,将塑料片材加热,然后利用真空吸力(通常约为 0.9bar)将片材吸附到模具上。真空成型非常适合需要在一侧精准成型的部件,比如食品或电子产品的外形包装。
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模压成型的热门程度仅次于真空成型。在模压成型过程中,将塑料片材加热,然后利用压力(通常为 6.9bar)将片材压入模具。提高压力则可以形成复杂精细的细节,实现类似于注射成型部件的表面光洁度。模压成型和真空成型均适用于成型浅轮廓几何结构。
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机械成型是一种助压模塞成型工艺,需要使用两件式模具,非常适合生产深轮廓部件。在机械成型过程中,通过将阴模和阳模相闭合,使加热的塑料片材成型。此方法的尺寸公差和表面光洁度优于其他工艺,但也最为复杂,同时成本高昂。
最常用的热压成型材料是常见热塑性塑料,如 ABS、PET(包括 PETG)、高抗冲聚苯乙烯 (HIPS)、聚碳酸酯 (PC)、聚丙烯 (PP) 和聚乙烯 (PE)。片材可分为薄片(厚度小于 3mm)和厚片(厚度大于 3mm)两种规格。薄片更易加工,在市场上占据主导地位,主要用于包装应用,而厚片常用于重型应用,如刚性外壳。
热压成型模具制作
传统上,热压成型模具可由 CNC 加工金属制成,用于大批量生产;或由木材或复合板材(泡沫或玻璃纤维)制成,用于小批量生产。这些工艺都需要利用昂贵的设备和大量劳动力进行 CAM 设置和机器操作。外包生产模具需要数周的周转时间,成本可能高达数千美元。因此,在生产有限数量的热压成型部件时(例如原型制造或小批量生产),外包通常不可行。
桌面级 3D 打印是以低成本快速制作模具的强大解决方案。该方案所需设备极少,同时还能节省 CNC 加工时间并减少技术操作人员数量,让制造商将更多时间投入高价值任务。使用内部 3D 打印时,制造商和产品设计人员可以在产品开发过程中引入快速模具制作,在过渡到大规模生产之前验证设计和材料选择。他们可以快速迭代、加速产品开发过程并提高上市产品质量。
对于模具制作而言,立体光固化 (SLA) 3D 打印技术是很好的选择。其特点是得到的打印模具表面光滑且精度高,可转化成最终部件,而且便于脱模。采用 SLA 3D 打印机生产的模具可形成完全致密且具各向同性的化学键合,所制成的功能性模具的质量让熔融沉积成型 (FDM) 等其他常用 3D 打印工艺望尘莫及。SLA 3D 打印还提供了无与伦比的设计自由以制造复杂精细的模具。
桌面级 SLA 打印机(例如 Form 4)易于实施、操作和维护,可无缝集成到任何工作流程中。大幅面 3D 打印机 Form 4L 紧凑小巧、适用于办公室,却可制作大型部件和模具。此外,Formlabs 提供具备优异机械性能和热性能的工程材料,可与模具制作完美适配。
本白皮书聚焦于真空成型和模压成型,概述了 3D 打印制作热压成型模具的工作流程、设计指导和最佳方法。然后详细介绍有关塑料研究中心 IPC、产品开发公司 Glassboard 和机械制造商 Formech 的三个案例研究,探索 3D 打印快速制作模具的潜力。
方法
工艺流程
使用 3D 打印模具进行热压成型:

(1) 模具设计 (2) 模具 3D 打印 (3) 模具组装 (4) 片材夹持 (5) 加热 (6) 成型 (7) 冷却 (8) 脱模和修整
设计指南
设计 3D 打印热压成型模具时,建议遵守增材制造设计规范以及热压成型模具设计一般规则。3D 打印模具可以实现与金属模具相同的功能,并通过更复杂的模具几何结构提高设计自由度。以下是一些行业专家针对真空成型聚合物打印模具(也可应用于模压成型)的一些实用建议。
改善真空处理效果和表面光洁度的方法:
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将模具设计为中空结构,便于空气流通并减少树脂用量。这种设计方法可节省材料成本和打印时间,同时优化真空处理效果。Formlabs 建议将最小壁厚设计为 1-2mm。
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在模具中设计直径为推荐值(与片材厚度相关)的通气孔。3D 打印可轻松在模具外部(几乎任何位置)引入特别小的通气结构。这样可以完善牵伸效果,在表面上实现均匀的真空分布,从而改善部件质量。使用 Grey Resin 可轻松打印直径低至 0.5mm 的通气孔。然而,如果使用 Rigid 10K Resin 和 Fast Model Resin 进行打印,直径小于 1mm 的孔则可能需要在表面穿出。
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避免出现锋利边缘。增加牵伸方向上的角半径将有助于减少出现网状材料的可能。
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避免在成型表面上生成支撑结构。

模具背面图片。
延长模具使用寿命的方法:
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根据部件的拓扑结构添加加强筋网络,以强化机械支撑并防止翘曲。在加强筋上设计开口,以便空气流通。
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增大拔模角(最小 2-3°)以便脱模。
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构建装配特征,以便将模具固定到热压成型设备的基板上。螺纹孔可以直接集成到模型中。如果尺寸出现偏差,可以在打印后用钻机进行修整。设计足够的装配组件,以防部件在排出过程中损坏。也可以在模型底部添加平条,以便使用双面泡沫胶带固定模具。然而,在此过程中泡沫会在高温下收缩,影响真空流向。
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若制造大型模具和进行大批量生产,模具中应设计冷却通道以便调节模具的温度。
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如果无法避免出现倒扣或其他难以脱模的几何形状:将模具设计为多件式。折叠式模具有助于排出部件,可以添加磁铁将模具各个部分固定在一起。
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在模具的 CAD 设计中加入剖切线,以便在成型后修剪多余的材料。该设计还有助于在真空成型过程中提升部件,以减少机器层面的故障。
选择合适的 3D 打印材料
热压成型模具应能承受相关装配力、成型力(本报告中考虑了真空和压力)、温度、脱模力并兼容使用的任何冷却剂或脱模剂。Formlabs 提供满足这些要求的各种材料,并能替代铝模具进行小批量制造。
在高温环境中,SLA 3D 打印模具的机械特性会有所下降。然而,由于塑料部件的传热速度较慢,只要受热时间短,模具温度保持相对较低,就可以实现高温成型。树脂的选择取决于工艺和生产要求:
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如果您只需要形成一到五个单元,并希望快速迭代设计,请选择 Fast Model Resin。Fast Model Resin 的打印分辨率低于 Formlabs 标准材料,但速度快四倍。该树脂是大型部件、简单设计、初始原型和快速迭代的理想选择。
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如果您只需要形成一到五个具有高表面光洁度和细节水平的单元,请选择 Grey Resin。通常来说,热压成型并非高精度工艺;在大多数情况下,使用 Fast Model Resin 即可达到足够的表面光洁度和细节水平。但 Grey Resin 具有更好的精度、一致性和更简单的支撑去除过程,在不考虑打印速度的情况下,该树脂是小型部件的首选。如果希望使用由 Grey Resin 或 Fast Model Resin 打印的模具制造多个部件,应留出足够的时间进行模具冷却(8 到 10 分钟,具体取决于部件和材料)。
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如果需要在更具挑战性的成型条件下使用模具,
请选择 Rigid 10K Resin。该树脂是一款高度玻璃填充的工业级树脂,能够以接近生产的周期时间成型限定系列的几十个部件。在 0.45MPa 的条件下,Rigid 10K Resin 的热变形温度为 218°C,拉伸模量为 10000MPa,是一种坚固、极硬且热稳定性强的成型材料,因此即便受热受压,形状也依然能保持不变,从而生产出尺寸精确的部件。
相关材料的建议均已汇总至下表。点数越多表示在特定条件下材料性能越好:
标准 | Fast Model Resin | Grey Resin | Rigid 10K Resin |
---|---|---|---|
打印时间更短 | ★★★ | ★ | ★ |
材料成本更低 | ★★★ | ★★★ | ★ |
便于去除支撑 | ★ | ★★★ | ★★ |
改善表面光洁度 | ★ | ★★★ | ★★ |
增加片材厚度 | ★ | ★ | ★★★ |
延长成型时间 | ★ | ★ | ★★★ |
缩短冷却时间 | ★ | ★ | ★★★ |
增加循环次数 | ★ | ★ | ★★★ |
工作流程指南
组装模具
打印好模具后,根据 Formlabs 说明,用 IPA 仔细清洗通气孔和冷却通道,并使用气枪吹干部件,以清除孔内可能已硬化的多余树脂。根据 Formlabs 指南对打印件进行后固化。如果尺寸出现一些偏差,应通过砂纸打磨、桌面级铣削机或钻机来修整模具,以满足关键尺寸要求。如果使用 Rigid 10K Resin,请用矿物油擦拭部件,以清除表面多余的粉末。打印模具可以通过螺纹连接到准备安装在热成型设备的金属片材上,具体取决于使用的机器。
设备
如果您正在寻找操作方便的设备,期望利用薄片材制造包装等几何结构简单的原型,桌面级真空成型机是一种价格合理且易于使用的解决方案,如 Formech 450DT、Mayku 的各种型号和 Smartform。对于轮廓较深、规格较厚的产品,需要利用 Formech 508FS、GN、Ridat 或 Belovac 等工业机器获得更强的牵伸力和加热效果。用于成型的塑料将影响设备的选择。与其他塑料相比,聚碳酸酯 (PC) 等材料的热压成型更具挑战性,涉及高温、真空处理、压力以及热后处理等工艺。


Formech 450DT(左)和 Formech 508FS(右)。
材料
案例研究
在本节中,我们将介绍有关 IPC、Glassboard 和 Formech 的案例研究。请继续阅读,了解如何将 3D 打印的热压成型模具与台式和工业机器一起使用,以高效且实惠的方式生产数十种功能性原型、用于试生产的部件以及成品部件。
IPC 热压成型厚 PS 和 ABS 片材制作汽车部件
背景
IPC 是法国一家致力于塑料和复合材料创新的专业工业技术中心。IPC 开发的新方法可为各种企业提供支持,特别是中小企业。该中心与欧洲核心科研人员密切合作,在研发、创新、技术和技能转让等重要问题上为采用不同工艺的公司提供支持。IPC 团队通过实施研究、制定协议、确定可行性和协助技术转让,帮助制造商推动创新。多年来,他们一直在探索 3D 打印快速模具制作的潜力,特别是将 3D 打印注射模具用于小批量生产的可行性。
最近,IPC 与 VESTAL 集团合作开展了一项研究项目,致力于开发用于真空成型的 3D 打印模具。他们对 3D 打印的疲劳试验模具进行了可行性和寿命测试,提出了一些常见的热压成型挑战。本报告中总结了他们的实验过程和结果。
目标
VESTAL 集团是一家行业领先的热压成型部件和解决方案供应商,专精于制造医疗、铁路、休闲车以及轻型、中型和重型商用车领域的大型装置。他们能够满足对生产原型以及中小批量成品部件的高需求。该研究旨在开发能够在接近实际生产的成型条件下进行中小批量生产的原型模具,从而缩短周转时间、降低成本。
选择 3D 打印技术
IPC 对比了四种不同的 3D 打印技术:SLA、DLP、SLS 和 FDM。基于热压成型模具的粗糙度和热阻等特性,他们比较了材料的热变形温度,并测量了基准部件的粗糙度。
DLP 树脂 | Rigid 10K Resin | FDM - ULTEM 9085 |
---|---|---|
120-125°C (0.46MPa) | 163-218°C (0.46MPa) | 180°C (0.46MPa) |

基准部件粗糙度测量值。
本白皮书中展示的实验均使用 Formlabs 解决方案。IPC 可应要求提供包括技术对比在内的综合研究。
模具设计
部件描述
疲劳试验部件的设计遵循以下规范:
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存在浮雕和雕刻细节。
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常规拔模角为 3°。
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存在无拔模角的区域。
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浮雕和雕刻厚度为 2mm。
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存在有锋利边缘的区域。
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存在半径为 5mm 的区域。
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真空孔直径范围为 0.8mm 到 1.2mm。
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部件尺寸为 60 × 130 × 168mm。

疲劳试验部件 1 的 CAD 设计(带浮雕细节)。图例:浅绿色部分拔模角为 0°、深绿色部分拔模角为 3°、黄色部分半径为 5mm、红色部分为锋利边缘。他们另外还制作了一个带有雕刻细节的类似部件,最终的测试结果非常相似。为了清晰起见,我们在本文中将重点介绍带有浮雕细节的部件。
设计指南
打印模具应能承受两种应力:
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用于使部件成型的真空吸附力(最高 -0.8bar)。
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脱模力。这取决于加工材料、材料厚度、模具粗糙度以及材料与模具之间的附着力。
为解决这些限制,模具设计中应包含以下内容:
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根据部件的拓扑结构,设置环形加强筋网络以提高部件硬度。
-
通过四颗 M8 螺丝将模具固定在机器上。打印出通气孔后用钻机修整,以补偿尺寸偏差。
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通过直径为 1mm 的光滑通气孔进行真空处理(一些孔会穿过两侧的加强筋)。
-
在模具型腔之间创建缺口以便空气流通。

其他最佳设计做法:
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避免在成型表面上设置支撑,以获得更好的表面光洁度。
-
将模具设计为中空结构,以减少树脂用量。该设计可节省材料成本和打印时间,并且能够改善部件内的空气流通以优化真空处理效果。
添加热调节系统和装配固定装置
IPC 对设计进行迭代,通过执行可行性测试来优化模具制作。他们制造了三种不同的模具:
-
疲劳试验部件 V1。详见上一节。
对该模具进行的初始测试说明了冷却的必要性。仅在经历两个循环后,3D 打印模具就由于过热而出现机械性能下降。模具在机器固定装置处断裂,并粘附在成型部件上。
-
采用热调节设计的疲劳试验部件 V2。IPC 在初始模型中引入了冷却通道以调节温度,同时缩短冷却时间:
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进水口和出水口位于部件中心,直径为 8mm。
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进水口和出水口由 3/8 球形弹簧活塞螺丝固定在模具上。
-
为降低复杂性,冷却网络分为四个直径为 4mm 的通道,通道间距为 5mm。
-
通气孔直径为 1.2mm。
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进行第二次测试时,模具温度保持稳定。然而,在部件排出期间,通道入水口处出现泄漏。需要改善组件。
-
采用热调节和固定装置设计的疲劳试验部件 V3。 IPC 对设计进行了强化,在冷却通道接头附近额外添加了两个固定装置,以便紧固组件并避免漏水。


疲劳试验部件 V1 和带冷却通道的 V3 CAD 设计(背面)。
IPC 在 CAD 中设计部件花费了大约四个小时,另外花费了大约八个小时引入热调节系统。所需时间与传统模具的 CAD 设计时间相近,具体取决于设计师的专业水平。
3D 打印模具
在 Form 系列 SLA 3D 打印机上,使用 Rigid 10K Resin 以 100 微米的层高打印模具。随后使用 IPA 清洗两次模具,每次 10 分钟,并使用热成像系统控制冷却通道,以确保内部无树脂残留。然后将部件在 70°C 下后固化 60 分钟。进行 M8 固定螺纹攻丝。

步骤 | 机器操作时间(小时) | 人工操作时间(小时) | 步骤完成时间 |
---|---|---|---|
打印准备 | 0 | 0.75 |
D+0.5 |
打印部件 | 10 | 0.25 |
D+1 |
IPA 清洗 | 0 | 0.75 | D+1.5 |
控制通道以免堵塞 | 0 | 0.5 | D+2 |
后固化 | 1 | 0.0 | D+2.5 |
攻丝 | 0 | 0.25 | D+3 |
通过扫描计量控制尺寸偏差 |
0 | 1 | D+3.5 |
所需总时间 | 11 | 3.5 | 3.5 天 |


3D 打印疲劳试验部件 V3 的正面(左)和背面(右)。


IPC 利用热成像系统控制冷却通道以免堵塞的设置。

采用热调节的 3D 打印疲劳试验部件的热成像图像。在温度为 40°C 的情况下,液体可通过冷却通道轻松循环,未出现任何堵塞。在 2.4bar 压力下测得的流速为 11.4L/min。
模具制作
工艺条件设置为接近生产条件:
-
材料:厚度为 3mm 的 PS 片材。
-
循环时间:200 秒。根据计算结果,与传统铝模具相比,循环时间延长了 25%。
-
热压成型温度:170°C
-
热压成型设备 BERG M7
-
模具在温度为 20°C 的情况下连接至一般供水系统。
-
模具固定在要安装在机器中的钢板上。
-
热成像系统控制模具的温度。


3D 打印模具固定在要安装在机器中的 XC48 钢板上(左),钢板准备好进行第一个循环(右)。


热压成型设备 BERG M7。
结果
打印模具拥有出色的粗糙度。由于 Form 4L 使用两个激光器进行打印,打印件上存在接缝线。
观测值与理论值存在尺寸偏差;Z 轴上存在负偏差,构建平台平面上存在正偏差。打印件出现翘曲现象,但直径为 1mm 的通气孔成型非常理想。
由于采用了热调节系统,整个成型过程中模具的温度稳定在 75°C。循环时间为 200s。

Rigid 10K Resin 3D 打印模具的扫描图。尺寸偏差约为 -0.2mm。
使用一个 3D 打印模具制造了 20 个 3mm PS 片材部件,且模具未出现退化。IPC 预计,在该条件下,打印模具能够生产约 50 个部件。成型部件的质量与使用传统模具制得的部件相似;部件表面平滑,未出现收缩或打印模具留下的痕迹。如有必要,可使用砂布打磨成型部件。在可行性评估阶段对 ABS 板材进行了测试:考虑到相似行为和材料性能,IPC 推测这些结果也适用于厚 ABS 片材。


3mm 厚 PS 片材热压成型部件的正面(左侧)和背面(右侧)。
成本分析
模具可在 3.5 天内制作完成,其中机器操作时间为 11 小时、人工操作时间为 3.5 小时。按 50 美元/小时的费率计算,人工成本为 175 美元。树脂的使用量为 387mL,单价为 249 美元/升,最终的树脂成本为 97 美元。
材料成本(美元) | 人工操作时间(小时) |
总成本(美元) |
周转时间(天) | |
---|---|---|---|---|
外包给原型制造机构 | 520 | 1 | 570 | 21 |
外包生产铝模具 |
710 | 1 | 760 | 21 |
外包 DLP | 459 | 3 | 609 | 7 |
外包 FDM |
480-743 |
3 | 630-893 | 7 |
内部 FDM | 132 | 5 | 382 | 3.5 |
内部 Formlabs SLA |
97 | 3.5 | 272 | 3.5 |
总结
该研究表明,使用 Formlabs Rigid 10K Resin 制作的 3D 打印模具能够对厚 PS 片材进行热压成型,最多可使用 20 到 50 个周期。在模具设计中加入冷却通道可延长模具使用寿命,同时保证中小批量生产的循环时间处于合理范围内。相对于传统模具制作,周转时间缩短了 3 到 7 倍,成本至少减半。
成型部件的质量与使用铝模具获得的部件质量相似,但该研究中未考虑尺寸精度。IPC 建议将部件尺寸限制为 A4 纸大小 (210 × 297mm),以减少尺寸偏差。
上述结果表明,如果使用较薄的片材以及性能低于 ABS 和 PS 的材料,也能获得类似或更好的效果。然而,对于 PC 等性能更高的片材,需要进行补充试验。

Glassboard 热压成型厚 PC 片材制作消费品部件
背景
Glassboard 是一家产品开发公司,可帮助有雄心壮志的公司进行产品设计、开发和原型制造,为市场提供优质的产品。为提高客户服务质量,他们在整个产品开发周期中使用 3D 打印技术:使用面向注射成型、热压成型和硅胶铸造的 3D 打印模具直接打印早期原型、预生产部件和限定系列。该团队向我们展示了他们以聚碳酸酯 (PC) 为材料,使用 3D 打印模具通过真空成型制作功能性原型的工作流程。
模具设计
Glassboard 分享了两个最新项目:冰球测试件和头盔。模具采用中空结构,部件内设有横竖交叉的梁,可以增加模具强度并避免模具在真空成型时破裂。成型表面上有直径为 1.5mm 的小气孔,便于进行真空处理。冰球测试件采用简单的几何形状,壁厚为 0.5mm 至 0.8mm,拔模角至少为两度。


冰球测试件 CAD 模型的正面(左)和背面(右)。
头盔壁厚为 4mm,其中包含一些更具设计挑战性的特征,尤其是一些倒扣区域。模具设计为多件式,以便与热压成型产品分离。聚碳酸酯成型部件在该厚度下不易弯曲,减小倒扣区域的表面积不足以使部件脱模。经过数次设计迭代后,他们最终确定了一个五件式模具:底部为中心型芯,在取出模具的每个单独滑块之前,该部分将首先脱离。遗憾的是,成型部件上存在分型线。他们在部件内部使用磁铁将不同的部分固定在一起,并在真空成型时对齐各部分。可以在型芯部分增添更大的孔洞,以改善空气流通。
3D 打印模具
模具由 Form 系列打印机使用 Formlabs Fast Model Resin 以 200 微米层高在夜间打印。由于头盔的尺寸很大,该团队选择了 Fast Model Resin 作为打印材料,这是打印速度最快的 Formlabs 树脂,可提高迭代速度。去除所有支撑后,他们需要花费大约 20 分钟来打磨部件,直至表面光滑。该过程无需进行任何抛光或使用脱模剂。较小的部件通常使用 Grey Resin 打印以减少翘曲,尤其是长而薄的部分。
“您了解这个过程后,简单部件的 3D 打印模具设计大约需要 20 分钟,而对于更复杂的几何形状则需要不到一天的时间。从部件设计到模具制作的过程非常快,第二天您就可以拿到最终产品。然后,您可以重复使用相同的模具来制造更多部件。这是一个非常强大的过程。”Glassboard 运营副总裁 Grant Chapman 说。

模具制作
该团队使用 Formech 508FS 热压成型设备对 3mm 厚的 PC 片材进行成型处理,得到了 1.5mm 厚的热压成型产品。他们采用规定的标准成型条件对 PC 片材进行真空成型。首先,他们将片材放入 80-100°C 的烤箱中烘烤三天,以在成型前除去水分和气泡。仅在对 PC 进行热压成型需要执行上述步骤,其他热塑性塑料(如 PETG)的热预处理要快得多。片材在温度为 194-204°C、压力为 20-25bar 的条件下成型,冷却时间为 8-10 分钟。
结果

“无论是在受力还是加热条件下,Fast Model Resin 和 Grey Resin 在工艺流程中的表现非常出色,这让我十分吃惊。有了价格实惠、打印快速准确的树脂,我们只需很少的工作量就可以获得优秀的部件,”Chapman 说道。
该团队制造了 15 个冰球测试件和 2 个头盔。在真空成型机中对片材进行成型时,他们没有遇到任何问题:片材未发生任何熔化或变形,模具也未出现任何破裂或烧毁。他们并未继续测试直至模具失效,但他们相信如果遵循 8 到 10 分钟的冷却时间,这些模具可以承受更多次循环。如果选择热性能更高的 3D 打印材料,例如 Rigid 10K Resin,可将冷却时间缩短为 2 到 3 分钟。
在此之前,该团队一直外包模具制作。通过使用 Formlabs 打印机在内部进行 3D 打印,他们将成本降低了 10 倍,周转时间从数周缩短为数天。“我们以前并没有将真空成型作为一项业务,也没有为客户提供这一选项,因为我们并不擅长这方面。而现在,即使最终产品需要采用更复杂的几何形状进行注射成型,使用真空成型工艺制造外观性原型和功能性原型也非常容易。3D 打印是我们简化工作流程的基石,”Chapman 表示。
外包生产模具 | 内部 3D 打印模具 | |
---|---|---|
所需设备 | 热压成型 PC 片材 |
热压成型设备 Form 4L Fast Model Resin |
模具生产时间 | 2-3 周 | 1 天 |
模具生产成本 | 5000-10000 美元 | 小于 400 美元 |
Formech 热压成型薄 ABS 和 HIPS 片材制作包装
背景
Formech 是一家拥有 40 年经验的真空成型机设计和制造机构,可在全球范围内提供包括咨询、设备供货、安装和培训在内的完整解决方案。其产品范围涵盖从手动机器到全自动机器的多种型号。Formech 积极探索创新技术,力求帮助用户群体取得成功,并且尤其关注按需模具制作的灵活性。Formech 团队评估了在其真空成型机上使用 3D 打印模具的可行性,并与我们分享了他们的结果。
模具设计
为了展示常见的热压成型部件,Formech 设计了一个具有以下规格的分格托盘:
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部件尺寸为 200mm × 160mm × 42mm。
-
设计有尺寸为 20mm × 130mm × 0.4mm 的浮雕文字,Formech 标志与托盘表面的曲率贴合,并包含一个小的倒钩。
-
壁厚 6mm,拔模角 3°。
-
真空孔直径为 1mm。
-
模具采用空心设计,底部壁厚为 3mm,可减少树脂消耗。为改善机械支撑和气流,底部额外添加了加强筋。
-
网格区域的下方设计有四个平柄,便于用户使用双面泡沫胶带或螺丝将模具固定在真空成型机的基板上。


分格托盘 CAD 模型的正面和背面。
3D 打印模具
在 Form 4L 打印机上,使用 Grey Resin、Rigid 10K Resin 和 High Temp Resin 以 100 微米的层高打印三个模具。根据 Formlabs 说明对打印件进行清洗和后固化。


使用 Grey Resin(左)和 Rigid 10K Resin(右)制作的 3D 打印模具。
模具制作
该团队在以下成型条件下对分格托盘进行成型处理:
-
材料:白色 ABS 和浅蓝色 HIPS 片材,厚度为 1.5mm。
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循环时间:2.5 分钟。
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热压成型温度:180°C。
-
真空成型机:Formech 686 使用更小的窗口来减少塑料废料。
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模具由螺丝固定在基板上:
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用直径为 3.5mm 的双螺纹木螺丝拧紧 Grey Resin 托盘。使用直径为 3.0mm 的导孔,确保螺丝充分拧紧。
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使用 Rigid 10K Resin 打印模具后,用 M5 机器螺丝进行钻孔和攻丝,因为相对于 Grey Resin,Rigid 10K Resin 柔性较差但刚性更好。
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攻丝并安装在热压成型设备基板上的 3D 打印模具。

Formech 686 真空成型机。
结果
成型部件的数量:使用 1.5mm 厚的 ABS 和 HIPS 片材在每个打印模具上生产了 50 个部件。真空成型的生产方式与传统生产方法相似,不允许出现模具过热的情况,并且采用一致的循环时间。
成型部件的质量:成型部件的质量与使用传统模具生产的部件质量相似。在最终部件上可以看到由两个 Form 4L 激光器产生的缝线,但是在模具用于成型之前可以很容易地磨掉这些缝线。

热压成型 ABS 和 HIPS 片材。
模具随时间推移而退化:随着模具温度上升,Grey Resin 模具的侧壁顶部的柔性略微升高,但并不影响部件质量。High Temp Resin 模具的柔性很低。Rigid 10K Resin 完全未出现变形,在整个生产过程中保持很强的刚性。
该团队建议在小批量生产中使用 Grey Resin 进行打印,在大批量生产中使用 Rigid 10K Resin。Rigid 10K Resin 具有清晰的细节,并且比 High Temp Resin 更坚固,最有可能满足一整天的生产需求。
热压成型 PETG、PE 和 PP 包装薄片
为获得更多参考信息,Formlabs 团队还在内部测试了用于小型包装应用的各种模具几何结构。我们使用 Scheu-Dental 的 Ministar S230V 对 PETG、PE 和聚丙烯片材进行热压成型。片材厚度范围为 0.5 到 2mm。模具尺寸不超过 100 × 100 × 20mm。



冰球的 CAD 模型,该模型随后在 Form 4 打印机上使用 Grey Resin 和 Rigid 10K Resin 打印。
材料 | PETG 0.5mm | 聚丙烯 1.0mm | PE 2.0mm |
---|---|---|---|
压力 (bar) | 1 | 1 | 2 |
加热时间 (s) | 25 | 55 | 60 |
冷却时间 (s) | 20 | 80 | 120 |
循环时间 (s) | 80 | 210 | 210 |
片材温度 (°C) | 110 | 130 | 110 |
生产 5 个部件后的模具温度 (°C) | 60 | 60 | 60 |
生产 10 个部件后的模具温度 (°C) | 60 | 60 | 60 |
循环次数* | 15+ | 15+ | 20+ |
*带 + 符号的循环次数表明测试仍未失败,模具仍处于良好状态,可用于更多次循环。
*带 + 符号的循环次数表明测试仍未失败,模具仍处于良好状态,可用于更多次循环。

结果
我们同时使用这两种模具,用每种模具制作了 15 到 20 个部件,并在模具未失效的情况下停止了试验。观测到的部分结果如下:
- 几次迭代后,模具的温度稳定在 60°C 左右。
- 对于较薄的片材 (0.5mm),在 80s 的较短循环时间下,真空成型的质量会在约 10 次迭代后下降,导致部件难以脱模。
- 对于厚度约 1-2mm、循环时间较长的片材,脱模更为容易,部件质量更高。
上述测试表明,这些模具可以成功生产数十个部件。对于小尺寸部件和薄片材,Grey Resin 的强度足以满足工艺要求。然而,某些几何结构由于长时间暴露在高温环境中会出现翘曲情况。
我们建议将 Grey Resin 用于小批量生产小型部件,将 Rigid 10K Resin 用于大型部件和大批量生产。
总结

桌面级 3D 打印是以低成本快速制造热压成型模具的强大解决方案,适用于定制部件或小批量生产。本报告记录了使用 SLA 3D 打印模具和常用热塑性塑料,如何在几天内热压成型数十个部件。
3D 打印热压成型模具在行业中有着巨大潜力,甚至可以扩展用于纤维增强复合材料成型等高性能应用。3D 打印快速模具制作也非常适合医疗保健领域,能够以经济高效的方式制造定制成品部件。其中利用 3D 打印模型进行模压成型是生产正畸透明矫正器的首选方法。
如今,通过将快速模具制作应用于早期原型的直接打印、部件和限定系列的预生产,3D 打印可提高车间中各个产品开发阶段的效率。除原型制造外,3D 打印还支持按需定制模具,通过重新思考模具的制造方式提高了制造流程的灵活性。这有助于制造商及时满足不断变化的业务需求,并在企业内部实现经济高效的小批量生产。
您对于使用 SLA 打印机进行热压成型是否有任何疑问?请联系我们的专家,或免费索取材料样品部件。