3D打印在大規(guī)模生產(chǎn)中的利弊，以及應(yīng)用案例
傳統(tǒng)觀點認為，一旦單個零件的產(chǎn)量超過 10,000 份，改用注塑成型或其他傳統(tǒng)生產(chǎn)方法更為經(jīng)濟。通常，規(guī)模經(jīng)濟會在產(chǎn)量低得多的情況下發(fā)揮作用。
△來自機器和材料制造商 Carbon 的樹脂 3D 打印技術(shù)已成為大規(guī)模生產(chǎn)最終用途零件的首選方法之一（來源：Carbon）
但3D打印具有獨特的特點，在某些情況下，它不僅是更經(jīng)濟的選擇，而且是生產(chǎn)更好、更高效零件的更快方法。
增材制造大規(guī)模生產(chǎn)的想法并不新鮮，它實際上已經(jīng)在我們下面詳述的知名公司中進行。事實上，制造商已將其大批量產(chǎn)品轉(zhuǎn)向 3D 打印，主要原因有以下三個：
- 要生產(chǎn)的零件具有任何其它方式無法制造的幾何形狀或特征
- 質(zhì)量體積中的每個部分都必須是唯一的和定制的
- 3D 打印作為一種臨時生產(chǎn)解決方案，可以滿足截止日期或克服傳統(tǒng)方法的問題/延誤。
然而，對于大多數(shù)制造商而言，用于大規(guī)模生產(chǎn)的 3D 打印根本不具有經(jīng)濟意義，而且障礙多于優(yōu)勢。
本文，魔猴網(wǎng)和大家一起來看看大批量增材制造面臨的挑戰(zhàn)，以及今天哪一家制造商成功地實現(xiàn)了 3D 打印數(shù)千量級的零件制造。
3D?打印大規(guī)模生產(chǎn)的體量
在深入探討增材大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢之前，讓我們先定義一下生產(chǎn)型 3D 打印的含義，這并非易事。增材制造什么時候從小批量到大批量制造，超過 1,000 個零件，10,000 個零件？“大規(guī)模生產(chǎn)”、“批量生產(chǎn)”或“大量生產(chǎn)”沒有統(tǒng)一的統(tǒng)一定義，因為它取決于行業(yè)和產(chǎn)品。
例如，如果你是高端鐘表制造商，3D 打印 300 個鈦金屬外殼是一個很大的體量，但對于大型汽車制造商來說，3D 打印 10,000 個鋁支架只是九牛一毛。
出于本文的目的，我們將考慮打印 500 到 10,000 個零件算作增材批量生產(chǎn)，具體取決于應(yīng)用。要達到生產(chǎn)水平，操作員必須在單次生產(chǎn)運行中至少打印數(shù)百個零件。
用于批量生產(chǎn)的 3D 打印的優(yōu)缺點
△汽車巨頭BMW 啟動了幾項研究，測試 3D 打印大規(guī)模生產(chǎn)此類汽車零部件的可行性，這些零部件專門針對該技術(shù)進行了重新設(shè)計（來源：BMW）
增材大規(guī)模生產(chǎn)為使用它的公司帶來了顯著優(yōu)勢。這些公司已經(jīng)克服了技術(shù)和工藝方面的挑戰(zhàn)，最重要的是，找到了一種完全符合增材大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢的應(yīng)用。
如果您正在考慮大批量 3D 打印，可能會遇到痛點，例如需要更快地將產(chǎn)品推向市場，需要開發(fā)功能更好的產(chǎn)品以提升其價值，或者尋求解決供應(yīng)鏈問題您現(xiàn)有的制造商。
讓我們看看該方法的用途和挑戰(zhàn)。
優(yōu)點
- 1、過渡型制造在通過常規(guī)方法建立大規(guī)模生產(chǎn)之前，使用 3D 打印機批量制造零件或產(chǎn)品是一種過渡型制造，是補全產(chǎn)品創(chuàng)意與大規(guī)模制造之間差距的臨時措施。這種方法使制造商能夠顯著更快地將新產(chǎn)品推向市場，從而使他們能夠測試市場需求并可能仍然對產(chǎn)品進行更改。傳統(tǒng)制造生產(chǎn)后的更改成本要高得多，因為您已經(jīng)投資創(chuàng)建模具和工具。3D 打印使您能夠在競爭之前將產(chǎn)品推向市場，即使您仍在進行一些調(diào)整。
當您在傳統(tǒng)制造中出現(xiàn)延誤或機器停機時，過渡型制造也是一種備用計劃。使用 3D 打印批量生產(chǎn)產(chǎn)品的選項可以消除停機時間并建立生產(chǎn)冗余，無論您是在內(nèi)部進行 3D 打印還是將增材制造外包給服務(wù)提供商。
△運動品牌Asics 于 2022 年 7 月推出了 3D 打印的 Actibreeze 3D 涼鞋，具有“卓越的涼爽和透氣性”，但根據(jù)公司網(wǎng)站，目前尚未發(fā)售（來源：Asics）
- 2、設(shè)計自由今天，大多數(shù)使用增材制造進行大規(guī)模生產(chǎn)的公司都選擇了它，因為他們需要生產(chǎn)的零件根本無法以任何其他方式制造。3D打印時零件性能的提升超過了增材制造的更高價格。例如，通過 3D 打印具有內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的金屬部件來減小其尺寸和重量，從而在制造成本方面具有優(yōu)勢。同樣，制造商可以一體式 3D 打印更高效的組件，這些組件以前注塑成型為 10 件并組裝?？傮w成本節(jié)省是顯而易見的，即使 3D 打印比注塑成型更昂貴。
- 3、大規(guī)模定制增材制造完全獨特的是大規(guī)模定制的概念，這意味著生產(chǎn)運行中的每個零件實際上都可以是獨一無二的，與注塑成型的情況不完全相同。在打印之前，增材制造的零件僅以數(shù)字 CAD 文件的形式存在，因此您可以在此數(shù)字階段輕松修改產(chǎn)品以滿足客戶需求，提供更理想的個性化選項。例如，剃須刀制造商吉列利用 3D 打印技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)定制剃須刀手柄。大規(guī)模定制的另一個很好的例子是 3D 打印牙齒矯正器，一次打印數(shù)百個。
- 4、生產(chǎn)靈活性由于傳統(tǒng)制造業(yè)缺乏工具或其他生產(chǎn)必需品，3D 打印機可以立即開始生產(chǎn)不同的零件或新版本，從而為制造商節(jié)省了與重組工具相關(guān)的金錢和時間。
△已經(jīng)依賴3D 打印進行研發(fā)的運動產(chǎn)品制造商迪卡儂研究了在公司面臨注塑成型能力問題時大批量 3D 打印部分零件的可行性（來源：3D Systems）
- 5、現(xiàn)場/本地制造最近的全球供應(yīng)鏈中斷凸顯了傳統(tǒng)制造的脆弱性。使用 3D 打印機，您可以在內(nèi)部或當?shù)胤?wù)提供商處生產(chǎn)零件，從而完全消除交付時間和供應(yīng)鏈中斷的問題。通過使用全球服務(wù)提供商，還可以進行分布式制造，將要打印的部件發(fā)送到盡可能靠近最終用戶的位置，從而避免運輸成本。
- 6、更快的生產(chǎn)制造商知道 3D 打印比傳統(tǒng)的原型制造速度更快，但 3D 打印機可以在最少的監(jiān)督下全天候生產(chǎn)功能性、生產(chǎn)級的部件——只要有正確的軟件、硬件和流程。
- 7、可持續(xù)性用于大規(guī)模生產(chǎn)的增材制造比減材制造方法（如 CNC 銑削）使用更少的原材料，可以在更接近需要的地方生產(chǎn)，并且不符合最低限度的概念，這可能導(dǎo)致積壓浪費。公司可以打印他們需要的東西。
缺點
大批量增材制造并不是適用于所有產(chǎn)品的最佳解決方案，許多公司會發(fā)現(xiàn)通過增材制造將產(chǎn)品從軟件到運輸?shù)亩嗖襟E過程讓人難以承受。以下是您可能不會為您的產(chǎn)品大量選擇 3D 打印的一些原因。不過請記住，將您的批量生產(chǎn)外包給 3D 打印服務(wù)提供商可以緩解其中的許多問題。
- 1、前期成本高要在內(nèi)部進行大批量 3D 打印，您需要大型 3D 打印機或多臺 3D 打印機，這是一項重大投資。在設(shè)計和實施全新的數(shù)字和手動工作流程時，您還需要購買材料和操作軟件。
自行車公司 Specialized 的 Power Pro with Mirror 3D 打印自行車座墊是其第二款使用 Carbon 的 3D 打印技術(shù)并由服務(wù)提供商?OECHSLER?打印的批量增材制造產(chǎn)品（來源：Specialized）
- 2、增材制造設(shè)計正如我們所提到的，當今大多數(shù)大批量 3D 打印公司都在生產(chǎn)專門設(shè)計用于使用該技術(shù)制造的零件。傳統(tǒng)制造和增材制造需要不同的設(shè)計原則。習(xí)慣于使用傳統(tǒng)方法的工程師和產(chǎn)品設(shè)計師會發(fā)現(xiàn)，要過渡到增材制造設(shè)計 (DfAM) 以最有效地利用 3D 打印具有挑戰(zhàn)性。此外，重新培訓(xùn)他們的成本可能很高。大批量 3D 打印與您當前加工或注塑成型完全相同的零件，而無需任何重新設(shè)計幾乎從來都不是一個好主意。
- 3、可重復(fù)性問題可重復(fù)性是指 3D 打印機重復(fù)生產(chǎn)相同部件的能力。然而，機器可能非常敏感，即使是很小的校準或材料變化也可能導(dǎo)致打印錯誤。清除失敗的打印件和重新校準打印機可能非常耗時，并會導(dǎo)致生產(chǎn)損失。
- 4、孤立的機器
- 今天幾乎所有的增材大規(guī)模生產(chǎn)都是使用來自同一供應(yīng)商的多組3D 打印機完成的。制造商可以擁有 30臺arbon3D 打印機或 40 臺 EOS 打印機。這為連接性和一致性提供了一定的保證，但它確實將制造商鎖定在一個 3D 打印機 OEM 上。一臺 3D 打印機的操作系統(tǒng)、周邊甚至材料都大不相同。即使增材制造工作流程軟件取得了進步，至少可以說，在多個不同的 3D 打印機需要協(xié)同工作的環(huán)境中建立流暢的工作流程仍然非常具有挑戰(zhàn)性。
- 5、熟練勞動力要在內(nèi)部進行大規(guī)模增材制造，您需要熟練勞動力。雖然一個工人可以操作多臺 3D 打印機，但聘請專家員工或?qū)ΜF(xiàn)有員工進行再培訓(xùn)以使用這些機器的成本可能很高。
- 6、材料成本3D打印機制造商已經(jīng)取得了長足的進步，能夠使用與注塑成型相同的材料，并向第三方材料開放。然而，許多人仍然只能在使用專有材料時才能保證質(zhì)量，這些材料通常更昂貴。
△即使是桌面 3D 打印機制造商，例如?Formlabs，也在引入旨在簡化批量生產(chǎn)的功能（來源：Formlabs）
- 7、缺乏標準3D 打印行業(yè)技術(shù)和材料尚未標準化到與傳統(tǒng)制造相同的程度。因此，依賴安全或質(zhì)量認證的制造商可能還無法自信地大規(guī)模實施增材制造技術(shù)。
- 8、后期處理
幾乎所有 3D 打印部件都需要一些后處理，從去除支撐到固化、燒結(jié)、打磨、平滑、噴漆，甚至是 CNC 銑削以實現(xiàn)更嚴格的公差。增材大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施必須具備順暢的后處理工作流程，以便通過各種后處理從打印機中取出零件。
用于批量生產(chǎn)的增材制造實際案例
盡管寶馬、通用汽車和美國軍方等公司進行了許多令人印象深刻的增材大規(guī)模生產(chǎn)概念驗證研究（已完成和正在進行） ，但下面我們展示了解決制造問題的真實大批量 3D 打印示例并為全球公司提供創(chuàng)新產(chǎn)品。
消費品行業(yè)
△未來的阿迪達斯 4DFWD 跑鞋（來源：阿迪達斯）
- 阿迪達斯 4DFWD 跑鞋
公司：阿迪達斯
產(chǎn)品： 4DFWD跑鞋中底
零件： 200萬+
原因： 增材制造提供了其他制造技術(shù)無法實現(xiàn)的獨特形狀。
打印機：Carbon
工藝：樹脂
阿迪達斯 4DFWD 是世界上銷量最高的 3D 打印鞋，全球銷量達數(shù)百萬。4DFWD 獨特的 3D 打印格子中底是一種獨特的設(shè)計，根據(jù)阿迪達斯的說法，將物理特性直接融入這款高級跑鞋中。專有的 FWD Cell 形狀將跑步者向下邁出的垂直沖擊力轉(zhuǎn)化為前進動力。這種晶格結(jié)構(gòu)不可能通過注塑成型或機械加工來制造。Carbon 3D 打印技術(shù)還用于批量生產(chǎn) Rawlings棒球手套的襯墊和Specialized 的自行車座椅。
△CobraGolf 表示其 3D 打印的 King Putter 系列重量輕且由于其格子填充結(jié)構(gòu)而完美平衡（來源：Cobra Golf）
- Cobra Golf King 推桿系列
公司：眼鏡蛇高爾夫
產(chǎn)品：King推桿系列
零件： 30,000
原因： AM 提供了其他制造技術(shù)無法實現(xiàn)的獨特形狀。
打印機：?惠普
技術(shù)： 多射流融合
Cobra 轉(zhuǎn)向 3D 打印，通過復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)而不是固體材料為其推桿提供更好的重量平衡。King 3D 打印推桿系列由三種不同形狀的三種型號組成。有一個超大刀片型號，帶回了去年限量版中首次出現(xiàn)的 Supersport-35 名稱，還有一個名為 SuperNova 的尖牙形推桿和一個名為 Agera 的木槌式推桿。所有這些都使用 3D 打印的尼龍網(wǎng)格彈藥筒，它構(gòu)成了推桿結(jié)構(gòu)的核心，鍛造鋁和鎢構(gòu)成了它周圍的主體。
△Hasbro的 Selfie Series 大量 3D 打印娃娃頭，每個人頭對客戶來說都是獨一無二的（來源：Formlabs）
- Hasbro定制動作玩偶
公司：孩之寶（Hasbro）
產(chǎn)品： Selfie 系列可動人偶
零件： 5,000 +
原因： AM 交付了其他無法實現(xiàn)的定制形狀
制造技術(shù)。
打印機： Formlabs
工藝：樹脂
2022 年底，玩具制造商Hasbro正式推出了自拍系列計劃，將您的臉放在可動人偶身上。Hasbro注塑成型身體，但面部是由客戶通過 3D 掃描他們的面部并使用特殊應(yīng)用程序生成的。這些單獨的數(shù)字面部文件在 Formlabs 打印機上一次 3D 打印為獨特的娃娃頭。
△眼鏡制造商 Monoqool 3D 打印出多種顏色和款式的鏡框（來源：Monoqool）
- Monoqool 眼鏡框系列
公司： Monoqool
產(chǎn)品： 眼鏡框
零件： 2,000 +
原因：增材制造提供了一種其他制造技術(shù)無法實現(xiàn)的大規(guī)模定制方法。
打印機：未知
技術(shù)：選擇性激光燒結(jié)
Monoqool 是一家丹麥 3D 打印眼鏡框零售商和制造商，提供多種獨特的 3D 打印眼鏡框樣式供您選擇。框架重量輕且無螺絲，由聚酰胺粉末燒結(jié)成一件。該公司選擇3D 打印是因為它能夠更經(jīng)濟地生產(chǎn)客戶特定的產(chǎn)品，該產(chǎn)品仍需經(jīng)過幾個制造步驟，包括著色、拋光和組裝。Monoqool利用 3D 打印的靈活性來快速響應(yīng)眼鏡的款式趨勢。
△Chanel濃密彈力睫毛膏內(nèi)形狀獨特的 3D 打印刷是完美涂抹的關(guān)鍵（來源：Erpro）
- 香奈兒睫毛膏刷
公司：香奈兒
產(chǎn)品： 豐盈彈力睫毛膏刷
零件：每周 250,000 個
原因： AM 提供了其他制造技術(shù)無法實現(xiàn)的獨特形狀。
打印機： EOS 來自 3D 打印公司Erpro
技術(shù)：選擇性激光燒結(jié)
奢侈品牌 Chanel 的Volume Stretch 睫毛膏刷是通過 3D 打印以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的。刷子的形狀極其精確，五組刷毛植入一個空心的橢圓形，如果沒有 3D 打印技術(shù)，就無法實現(xiàn)刷子的形狀。該設(shè)計由法國制造商 Erpro 創(chuàng)造并獲得專利，由阿科瑪?shù)拿麨?Rilsan 粉末的腳輪基聚酰胺粉末制成。
△JackWolfskin Areorise 背包是采用 3D 打印格子結(jié)構(gòu)襯墊的量產(chǎn)消費品之一（來源：Jack Wolfskin）
- Jack Wolfskin 3D Aerorise 登山背包
公司： Jack Wolfskin
產(chǎn)品： Aerorise 徒步背包
零件： 2,000 +
原因： AM 提供了其他制造技術(shù)無法實現(xiàn)的獨特形狀。
打印機： Carbon來自 3D 打印公司Oechsler
工藝：樹脂
歐洲戶外用品商 Jack Wolfskin 試圖設(shè)計一款帶有襯墊的背包，以實現(xiàn)通風(fēng)和舒適。一個支撐開放式格子結(jié)構(gòu)墊，在不同部分提供不同程度的堅固性，以在需要的地方提供更多支撐，這正是解決方案。無法模制或加工復(fù)雜的形狀。通過與 3D 打印機制造商 Carbon 和打印服務(wù)公司 Oechsler 合作，Jack Wolfskin 現(xiàn)在可以 3D 打印在線和零售店銷售的高端包裝中的填充物。
汽車與航空行業(yè)
△約翰迪爾中型拖拉機包括一個用不銹鋼 3D 打印的燃油閥，以提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本（來源：約翰迪爾）
- 約翰迪爾 6R 和 6M 拖拉機燃油值
公司：約翰迪爾
產(chǎn)品： John Deere 6R 和6M 拖拉機的燃油值
零件： 4,000 +
原因： AM 以傳統(tǒng)制造成本的一半提供了更高效的零件形狀
打印機： HP Metal Jet，服務(wù)提供商GKN Additive
技術(shù)： 金屬粘合劑噴射
當全球農(nóng)業(yè)和草坪設(shè)備制造商 John Deere 的工程師設(shè)計出更高效的燃料值時，他們使用惠普的 Metal Jet 技術(shù)對其進行了原型設(shè)計。3D 打印版本的測試效果非常好，以至于該公司探索使用該技術(shù)制造最終零件，因為傳統(tǒng)制造需要進行設(shè)計更改，這會降低效率。在與惠普和德國合同增材制造商 GNK 合作后，約翰迪爾發(fā)現(xiàn)打印數(shù)千個這樣的零件比加工它們便宜 50%，而且生產(chǎn)速度更快。
△3D 打印使 GE 能夠生產(chǎn)重量更輕的渦輪葉片，從而減少飛機的油耗（來源：GE）
- 波音渦輪發(fā)動機葉片
公司： Avio Aero——通用航空公司的子公司
產(chǎn)品： 波音 777X 噴氣式飛機的渦輪葉片
零件： 每年 60,000 個
原因：增材制造交付了更高效的零件，使用更少的材料且速度更快
打印機：?Arcam?EBM 和Spectra H
技術(shù)： 電子束熔融
在意大利北部卡梅里的工廠，通用航空公司的子公司 Avio Aero 正在增材制造用于波音下一代 777X 噴氣式飛機 GE9X 發(fā)動機的渦輪葉片。Avio Aero 的工廠擁有超過 35 臺 GE Arcam EBM A2X 和 Spectra H 機器。每個可以在大約三天內(nèi)同時打印六個渦輪葉片。新的 Arcam Spectra H 機器可以在大約相同的時間內(nèi)生產(chǎn)多達 10 個刀片。增材制造的鈦合金葉片重量是航空用傳統(tǒng)鎳合金渦輪葉片的一半，從而使油耗降低 10%。
GE Additive 與Safran Aircraft Engines 合作，還使用增材制造為商用飛機生產(chǎn) 30,000 多個燃油噴嘴。噴嘴的總重量減少了 25%，并且能夠?qū)⒍鄠€噴嘴部件整合為一個部件。
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