在模具成本控制与开发周期缩短的双重需求推动下，英国AMRC Cymru的研究工程师们正探索将3D打印模具作为原型制造与小批量注塑成型的一种实用替代方案。其最新开展的“MiniMould”项目旨在研究聚合物基增材制造模具面临的技术挑战，并通过内部技术积累，推动其成为可行的制造解决方案。
这项为期两个月的研究获得了来自“内部能力项目”近3万英镑的资金支持，其背景源于与雷克瑟姆组件制造商Fibrax的早期合作。先前的研究曾揭示一个关键难题：3D打印聚合物模具在打印、清洗和紫外固化过程中会发生明显的几何翘曲与变形，严重时甚至导致模具无法用于注塑成型。因此，探究变形根源并寻求抑制方法，成为MiniMould团队的研究起点。
从工艺优化到材料转向：解决变形难题
项目团队首先从工艺优化入手，研究降低光固化树脂打印变形的最佳实践，并对初始参考模具进行精密测量，以量化其基准变形水平。通过固化前加强清洗流程等措施，模具平整度得到了初步改善。
然而，光聚合物树脂固有的脆性问题促使团队调整技术方向。他们转向选择性激光烧结（SLS）工艺，并选用具有更高断裂伸长率的尼龙11材料，以实现夹持应力在模具内部更均匀的分布。
几何优化与计量验证
在后续迭代中，研究重点转向几何结构与性能的优化。通过简化特征、减薄壁厚、调整流道设计等手段，团队力求在抑制变形的同时保持足够的机械强度。
在整个开发过程中，精密计量技术起到了关键作用：团队使用雷尼绍接触式测头采集模具内部坐标数据，验证其与CAD模型的一致性，并跟踪各迭代阶段的改进效果。
研究成果、制约与权衡
这一系统化的研发路径最终取得了实质进展。AMRC Cymru已成功利用SLS打印模具制造出注塑聚丙烯零件，标志着在可靠增材制造模具技术方面迈出重要一步。然而，研究结果也揭示了该技术当前存在的制约与权衡：
- 虽然首代SLS模具的平整度变化范围比树脂模具增大约120%，但其更优的韧性使其能够更好承受注塑夹紧力。
- 将壁厚从7.5毫米减至3毫米虽有助于抑制变形，但也导致结构弱化，模具在负载下发生失效。
- 聚丙烯材料在SLS模具表面易发生粘连，必须配合使用脱模剂。
- 简化零件几何形状是实现稳定结果的重要前提。
结论与展望
该项目证实，3D打印模具可作为实现快速注塑成型的可行路径，尤其适用于原型试制与小批量生产。更重要的是，通过项目实践，团队在材料行为、热响应以及面向增材制造的设计原则等方面积累了深入认知。
这些知识为行业提供了一条降低模具成本与交付周期的清晰路径，也为未来的研究方向指明了方向——包括混合结构或金属镀层模具方案、冷却系统优化、表面处理增强等，从而进一步缩小快速增材模具与传统生产模具之间的性能差距。
了解更多信息，请访问：谢菲尔德大学先进制造研究中心
