3D打印在大規(guī)模生產中的利弊，以及應用案例
傳統觀點認為，一旦單個零件的產量超過 10,000 份，改用注塑成型或其他傳統生產方法更為經濟。通常，規(guī)模經濟會在產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 打印技術已成為大規(guī)模生產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，它不僅是更經濟的選擇，而且是生產更好、更高效零件的更快方法。
增材制造大規(guī)模生產的想法并不新鮮，它實際上已經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品轉向 3D 打印，主要原因有以下三個：
- 要生產的零件具有任何其它方式無法制造的幾何形狀或特征
- 質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解決方案，可以滿足截止日期或克服傳統方法的問題/延誤。
然而，對于大多數制造商而言，用于大規(guī)模生產的 3D 打印根本不具有經濟意義，而且障礙多于優(yōu)勢。
本文，魔猴網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了 3D 打印數千量級的零件制造。
3D?打印大規(guī)模生產的體量
在深入探討增材大規(guī)模生產的優(yōu)勢之前，讓我們先定義一下生產型 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”、“批量生產”或“大量生產”沒有統一的統一定義，因為它取決于行業(yè)和產品。
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，具體取決于應用。要達到生產水平，操作員必須在單次生產運行中至少打印數百個零件。
用于批量生產的 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)模生產此類汽車零部件的可行性，這些零部件專門針對該技術進行了重新設計（來源：BMW）
增材大規(guī)模生產為使用它的公司帶來了顯著優(yōu)勢。這些公司已經克服了技術和工藝方面的挑戰(zhàn)，最重要的是，找到了一種完全符合增材大規(guī)模生產優(yōu)勢的應用。
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品推向市場，需要開發(fā)功能更好的產品以提升其價值，或者尋求解決供應鏈問題您現有的制造商。
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)模生產之前，使用 3D 打印機批量制造零件或產品是一種過渡型制造，是補全產品創(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品進行更改。傳統制造生產后的更改成本要高得多，因為您已經投資創(chuàng)建模具和工具。3D 打印使您能夠在競爭之前將產品推向市場，即使您仍在進行一些調整。
當您在傳統制造中出現延誤或機器停機時，過渡型制造也是一種備用計劃。使用 3D 打印批量生產產品的選項可以消除停機時間并建立生產冗余，無論您是在內部進行 3D 打印還是將增材制造外包給服務提供商。
△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”，但根據公司網站，目前尚未發(fā)售（來源：Asics）
- 2、設計自由今天，大多數使用增材制造進行大規(guī)模生產的公司都選擇了它，因為他們需要生產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 打印具有內部晶格結構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字 CAD 文件的形式存在，因此您可以在此數字階段輕松修改產品以滿足客戶需求，提供更理想的個性化選項。例如，剃須刀制造商吉列利用 3D 打印技術大規(guī)模生產定制剃須刀手柄。大規(guī)模定制的另一個很好的例子是 3D 打印牙齒矯正器，一次打印數百個。
- 4、生產靈活性由于傳統制造業(yè)缺乏工具或其他生產必需品，3D 打印機可以立即開始生產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的金錢和時間。
△已經依賴3D 打印進行研發(fā)的運動產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、現場/本地制造最近的全球供應鏈中斷凸顯了傳統制造的脆弱性。使用 3D 打印機，您可以在內部或當地服務提供商處生產零件，從而完全消除交付時間和供應鏈中斷的問題。通過使用全球服務提供商，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、更快的生產制造商知道 3D 打印比傳統的原型制造速度更快，但 3D 打印機可以在最少的監(jiān)督下全天候生產功能性、生產級的部件——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，并且不符合最低限度的概念，這可能導致積壓浪費。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品的最佳解決方案，許多公司會發(fā)現通過增材制造將產品從軟件到運輸的多步驟過程讓人難以承受。以下是您可能不會為您的產品大量選擇 3D 打印的一些原因。不過請記住，將您的批量生產外包給 3D 打印服務提供商可以緩解其中的許多問題。
- 1、前期成本高要在內部進行大批量 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。在設計和實施全新的數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 打印技術并由服務提供商?OECHSLER?打印的批量增材制造產品（來源：Specialized）
- 2、增材制造設計正如我們所提到的，當今大多數大批量 3D 打印公司都在生產專門設計用于使用該技術制造的零件。傳統制造和增材制造需要不同的設計原則。習慣于使用傳統方法的工程師和產品設計師會發(fā)現，要過渡到增材制造設計 (DfAM) 以最有效地利用 3D 打印具有挑戰(zhàn)性。此外，重新培訓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，而無需任何重新設計幾乎從來都不是一個好主意。
- 3、可重復性問題可重復性是指 3D 打印機重復生產相同部件的能力。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，并會導致生產損失。
- 4、孤立的機器
- 今天幾乎所有的增材大規(guī)模生產都是使用來自同一供應商的多組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、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，但聘請專家員工或對現有員工進行再培訓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的功能（來源：Formlabs）
- 7、缺乏標準3D 打印行業(yè)技術和材料尚未標準化到與傳統制造相同的程度。因此，依賴安全或質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。
- 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、打磨、平滑、噴漆，甚至是 CNC 銑削以實現更嚴格的公差。增材大規(guī)模生產設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無法實現的獨特形狀。
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，全球銷量達數百萬。4DFWD 獨特的 3D 打印格子中底是一種獨特的設計，根據阿迪達斯的說法，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化為前進動力。這種晶格結構不可能通過注塑成型或機械加工來制造。Carbon 3D 打印技術還用于批量生產 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構而完美平衡（來源：Cobra Golf）
- Cobra Golf King 推桿系列
公司：眼鏡蛇高爾夫
產品：King推桿系列
零件： 30,000
原因： AM 提供了其他制造技術無法實現的獨特形狀。
打印機：?惠普
技術： 多射流融合
Cobra 轉向 3D 打印，通過復雜的晶格結構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 打印的尼龍網格彈藥筒，它構成了推桿結構的核心，鍛造鋁和鎢構成了它周圍的主體。
△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）
產品： Selfie 系列可動人偶
零件： 5,000 +
原因： AM 交付了其他無法實現的定制形狀
制造技術。
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用程序生成的。這些單獨的數字面部文件在 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無法實現的大規(guī)模定制方法。
打印機：未知
技術：選擇性激光燒結
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?？蚣苤亓枯p且無螺絲，由聚酰胺粉末燒結成一件。該公司選擇3D 打印是因為它能夠更經濟地生產客戶特定的產品，該產品仍需經過幾個制造步驟，包括著色、拋光和組裝。Monoqool利用 3D 打印的靈活性來快速響應眼鏡的款式趨勢。
△Chanel濃密彈力睫毛膏內形狀獨特的 3D 打印刷是完美涂抹的關鍵（來源：Erpro）
- 香奈兒睫毛膏刷
公司：香奈兒
產品： 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無法實現的獨特形狀。
打印機： EOS 來自 3D 打印公司Erpro
技術：選擇性激光燒結
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，就無法實現刷子的形狀。該設計由法國制造商 Erpro 創(chuàng)造并獲得專利，由阿科瑪的名為 Rilsan 粉末的腳輪基聚酰胺粉末制成。
△JackWolfskin Areorise 背包是采用 3D 打印格子結構襯墊的量產消費品之一（來源：Jack Wolfskin）
- Jack Wolfskin 3D Aerorise 登山背包
公司： Jack Wolfskin
產品： Aerorise 徒步背包
零件： 2,000 +
原因： AM 提供了其他制造技術無法實現的獨特形狀。
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 試圖設計一款帶有襯墊的背包，以實現通風和舒適。一個支撐開放式格子結構墊，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。無法模制或加工復雜的形狀。通過與 3D 打印機制造商 Carbon 和打印服務公司 Oechsler 合作，Jack Wolfskin 現在可以 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，以提高生產效率和降低生產成本（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
產品： John Deere 6R 和6M 拖拉機的燃油值
零件： 4,000 +
原因： AM 以傳統制造成本的一半提供了更高效的零件形狀
打印機： HP Metal Jet，服務提供商GKN Additive
技術： 金屬粘合劑噴射
當全球農業(yè)和草坪設備制造商 John Deere 的工程師設計出更高效的燃料值時，他們使用惠普的 Metal Jet 技術對其進行了原型設計。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制造最終零件，因為傳統制造需要進行設計更改，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)現打印數千個這樣的零件比加工它們便宜 50%，而且生產速度更快。
△3D 打印使 GE 能夠生產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： 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生產多達 10 個刀片。增材制造的鈦合金葉片重量是航空用傳統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 30,000 多個燃油噴嘴。噴嘴的總重量減少了 25%，并且能夠將多個噴嘴部件整合為一個部件。
醫(yī)療保健行業(yè)
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