3D打印机-试制门槛降低，革新开发流程的好机会
2013-03-22 20:59:47| 分类：
科学技术
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3D打印机价格下降、成型材料品种增加，相关网络服务也在不断充实。在制造业之外的领域，3D打印机的应用领域也越来越广，个人用户层也有所扩大。在这样的趋势下，“任何人都能开制造公司”的机运便产生了。而对于本事就是制造业的企业，3D打印机则是提升现有业务竞争力、开拓新业务领域的强有力武器。 提升现有业务竞争力依靠的是［1］革新开发流程、［2］强化少量生产对应能力，开拓新业务领域依靠的则是［3］提供制造技术经验。下面，本文就详细介绍一下这3个推动力。 重新审视试制的作用 首先，［1］开发流程的革新，可以通过把3D打印机作为一种交流工具来实现。 过去，在制造业的开发流程中，3D打印机是被作为制作试制品的手段而使用的（图1）。这是因为作为“快速成型”的延伸，3D打印机能够快速、低廉地制作出试制品。其作用是将设计信息转化为实体，通过组装观察形状，在试验中确认性能。  |
图1：试制流程的变化
过去，使用3D打印机大多是为了缩短试制期、降低成本。今后，随着3D打印机成型更加方便，这种方式在更上游作为交流工具的应用将会扩大。 |
利用3D打印机制作立体模型所需成本和时间正在不断减少。除了替代过去的试制品制作方法之外，试制的作用也被重新考虑。作为交流工具使用就是新的作用之一。 即使是在以前因成本和时间的限制、“无力进行试制”的案例，现在也能借助3D打印机开始试制，一次能够制作的试制品数量和改进后重新制作的次数也会明显增多。 这样制造出的试制品不仅能像以前那样用来确认形状和功能，还可以在设计的决策过程中，也就是反复尝试、改进的阶段使用。在实物基础上展开讨论有助于深化理解，找出从电脑屏幕上的3D模型和图纸中发现不了的问题。 这里需要注意的是，既然是以实物为基础，就需要在制造现场配备相关人员。随着全球化的发展，利用IT技术的远程交流愈发必要，普及程度也在提高，但这依然比不上亲眼目睹实物的交流。在日本，各企业地理位置集中，通过使用3D打印机，应该可以孕育出以此为优势的新的开发流程*1。 *1 这一思路也可以运用到承包成形和加工的小工厂。如果能够利用3D打印机，使客户的创意具体化，不仅便于扩大客户层，还能够减少由误解造成的返工，最终提高顾客的满意度。 容易应对少量生产 充分利用3D打印机，能够使应对少量生产的能力出现飞跃。3D打印机适合单件和少量生产，试制也正是利用了这一特点（图2）。因为无需准备模具，所以初期投资少，也容易适应产量的变化。而且，在制作的过程中无需考虑工具的路径和脱模的方向，因此，形状的自由度高，也容易实现每件产品形状各异的定制。  |
图2：使用3D打印机制造最终产品
与传统的加工方法相比，优点在于定制容易、形状自由度高、适合单件生产。材料和3D数据的准备、易用性差等课题也在逐渐得到解决。 |
在利用3D打印机生产最终产品时，需要根据自己的用途，选择可以使用指定材料的3D打印机。10万日元左右的低价位3D打印机基本上只能使用ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚树脂）或PLA（聚乳酸）作为材料*2。 *2 能够使用光硬化性树脂、价位在数十万日元的3D打印机目前也在推进开发。 倘若这些材料不能满足要求，那就需要购买价格更高的商用3D打印机。例如，某些类型的打印机可以使用PC（聚碳酸酯）、PPSF（聚苯砜）等具备高耐冲击性、高耐热性的树脂，或是具备透明性和弹性的树脂。 现在有一些3D打印机还能使用对人体安全、符合登机标准、遏制了带电性的树脂*3。 *3 虽然是否叫3D打印机还存在争议，采用烧结粉末工艺进行成型的类型可以使用金属和沙等材料。就目前情况来看，装置体积偏大，价格也比较昂贵，但未来完全有可能得到改进。 如上所述，3D打印机可以使用的材料的种类越多，就越方便进行单件和少量生产。 批量生产还有问题
3D打印机可以实现单件生产。但从生产能力的角度来看，这种生产方式目前面临着难以批量生产的课题。举例来说，美国Stratasys现在利用3D打印机制作该公司3D打印机的部分部件（31种部件），而这款产品的年产量仅为十余台。 但是，3D打印机完全有希望增加产量。因为数量的阈值会随着时代不断变化。众所周知，著名EMS（电子产品代工服务）企业台湾鸿海精密工业（通称富士康）是采用切削加工的方式为美国苹果公司的“iPad”和“iPhone”制造金属外壳的。对于iPad和iPhone等批量生产的产品，使用冲压和制造是最常见的。然而，富士康通过使用数万台机床，实现了切削加工的批量生产。 与之相同，3D打印机的批量生产或许也将在不久的未来成为现实。最近，成型区空间大的3D打印机已经问世*4。这种打印机不仅可以用来制造大型产品，还可以一次性制造很多小型产品。 *4 例如，Stratasys应日本汽车企业的要求开发的3D打印机“Objet 1000”的成型区就达到了1000mm×800mm×500mm。 考虑到步骤和后处理，一般来说，在成型区中尽可能多地配置部件，以少量的次数进行成型的总体成型速度更快、成本更低，但具体情况还要看3D打印机的成型方法。 无需库存 易于实现少量生产的3D打印机拥有颠覆企业与用户关系的潜力（图3）。以诺基亚和Teenage Engineering为例，通过把部件的制造交给用户，企业将无需再持有库存。  |
图3：企业与用户职能的变化
采用3D打印机之后，企业与用户职能的变化。在产品领域，制造的职能可能从企业转向用户。特别是选配件部件、维护部件等领域，这种转变大有益处。 |
从这个角度出发，3D打印机在维护部件领域的应用前景值得期待。举例来说，企业长期储备办公设备维护部件的成本将得到压缩。 已经停产、需求量不大的产品的维护部件将保留3D数据。用户只需利用数据，按照需求到附近的营业所、3D印刷服务公司进行成型即可。这样一来，企业就能够实现库存的最小化*5。 *5 虽然很多企业都担心产品责任问题，但综合考虑部件的功能和破损时的安全性，必定有部件可以采用这种方式。 培训用户
对于制造业而言，在使用3D打印机的过程中积累的［3］制造技术经验也将成为竞争力的源泉。 以INCS（总部：东京）运营的Web网站“Inter Culture”为例，该网站向用户提供的信息还包括“3D打印机逐层打印的方向对于成品的不同影响”（图4）。网站销售3D打印机成型服务，以及3D打印机成型制品。  |
图4：网络服务的关键介绍
充分发挥3D打印机的作用必须具备数据制作方法、成型方向设定等技术经验。对于制造业，提供这些技术经验有助于扩大业务。 |
该公司虽然也向以制造业为主的企业提供3D打印机试制服务，但Inter Culture的定位基本面向个人*6。通过把交货期延长到2周左右，大幅降低了价格。 *6 实际上订单主要来自中小企业。 除了交货期长之外，低价格的另一个支撑是对于简化服务的贯彻，“直接使用用户提供的数据，按照要求成型即可”（该公司）。也就是把“用户理解3D打印机的特性，自主完成3D数据的制作和成型方向的指示等”（该公司）作为前提。 不对技术经验抓着不放，而是按照需要传播给用户。这一点的优劣或许会决定未来业务发展的成败。 保证强度亦可减轻重量 3D打印机具备可以一体成型复杂形状的优点。例如，在模具中铺设弯弯曲曲的冷却管只有3D打印机才能做到。通过发挥这一特点，过去必需由多个部件组装而成的部件有望实现一体成型。 例如，树脂熔融型3D打印机可以一体成型中空的完全密闭空间（图）。一般来说，制作悬空的部分需要支撑物，但树脂熔融型无需支撑物，即可制作出以一定角度探出的形状。通过利用这一特征，老方式无法做到的形状也可以得到实现。还可以在保持强度的前提下减轻重量，这也是使用3D打印机的一大理由。  |
图：可以一体成型中空的完全密闭空间
部分3D打印机还可以一体成型完全密闭的形状。需要注意的是，3D打印机在采取不同制作方式时，设计的方式也会随之改变。 |
3D打印机与其他加工方法组合使用 在能够制造形形色色产品的方法中，只有3D打印机从最初到最后都无需人工操作。通过使3D打印机与其他加工方法相结合，其用途有望获得更大的拓展。 例如，制造咖啡馆“FabCafe”与K's Design Lab举办的肖像巧克力作坊。在作坊里，参与者利用3D打印机，根据面部的扫描数据制成原型，通过硅胶模将原型复制为巧克力。作为制造企业为二者提供协助的是从事树脂包装等试制业务的WorkCAM（总部：东京）。在选择巧克力浇注模具的材料时，根据可以应用于巧克力这种食品、可以在短时间凝固以便在作坊中使用、可以使用3D打印机制作的原型等条件，该公司选择了最符合要求的硅胶。 该公司使用此次作坊制作的原型，在上面凿开吸引用的微孔，对能否进行板材成型进行了测试（图）。结果取得了成功。传统的切削加工很难制作面部凹凸的微妙形状，3D打印机与板材成形这一前所未有的组合方式形成了全新的模式。（全文完，记者：中村力，《日经制造》）  |
图：3D打印机制作的原型与板材成形制品
使用3D打印机制作的原型还可以对板材进行成型。可以制成传统切削加工无法实现的形状。3D打印机与传统加工方法的组合可以创造出新的附加值。 |
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