在快节奏的制造生产线中，即使是生产设备中的某个工具出现问题，都会影响到生产线的正常运转，如果问题得不到及时解决将影响到生产线的效率，给制造企业带来损失。
飞利浦和沃尔沃这两家著名制造企业的生产线中也存在着这类问题，但他们通过3D打印技术寻求解决方案，对生产线中的一些工具进行设计创新，有效改善了这些问题，使生产效率得到提升。
本期，3D科学谷将通过飞利浦和沃尔沃生产线所经历过的生产线工具设计创新案例，与谷友们进一步了解这两家大型制造企业是如何利用3D打印技术解决生产时遇到的问题的，这些看似不起眼的设计创新，为两家企业的生产线带来了什么附加价值。
降低工具损坏率、减少对人工的需求
飞利浦从1891年就开始生产白炽灯和其他电器产品，被公认为全球专业照明技术的引领者。
灯泡是一种生活必需品，其设计需要将精密材料进行精确组装才能够实现。在灯泡的生产是一种需要反复加热和快速冷却的严酷环境，再加上需要连续生产，生产线对于磨损控制和质量控制要求很高……显然，制造灯泡的难度比我们能看到的要高的多。
飞利浦照明生产线遇到的其中一个问题是制造过程中用的灯泡支架/底座易出现故障，并且不易于拆除和维修，另一个问题是需要人工将零件放置到吸爪中。这两个问题都影响了灯泡的生产效率。那么，这些问题能否得到解决呢？飞利浦照明与Materialise建立了合作，利用3D打印技术找到了解决方案。
灯泡支架的设计创新，左图为原始支架，中间为第一代3D打印支架，右图为最终投入使用的3D打印支架。图片来源：Materialise。
飞利浦与Materialise 利用增材制造设计思维和3D打印技术，对灯座支架与吸爪进行了再设计与制造。这两项利用3D打印技术实现的创新，使飞利浦照明的运营效率提升，每年节约的生产成本达8.9万欧元。
在飞利浦照明生产线中投入使用的3D打印支架，图片来源：Materialise。
灯泡支架的作用是在生产时固定灯泡，并在熔化和密封玻璃排气管时使引线远离热源。支架在运行的生产线上反复暴露于高温下，飞利浦原本使用的支架使由四个组件焊接而成的，因此撕裂和断裂时有发生，每周都会发生一到二次故障。为了应对故障，支架备件必须存放在现场。但由于支架固定时使用了热膨胀螺钉，支架很难拆卸和移除，每次修复时间长达两个小时。而且，支架经过几次维修后就必须用进行全新的整体更换。新支架需要大约8周的交付时间。
为改善这一状况，飞利浦和Materialise 团队对支架设计进行了优化，优化后的支架为一个功能一体化的零件，双方采用金属3D打印来制造这个一体化支架。3D打印支架无需进行多组件组装，这消除了焊接处的压力。在3D打印支架前三个月的使用中，没有发生过一次损坏。
3D打印支架的应用使飞利浦生产线每年节省约9000欧元的维护人工成本，更少的损坏还意味着能够减少备件的开支。通过3D打印制造支架备件的时间为10天，飞利浦生产线因此可以减少备件的库存。
此外，支架需要经常进行清洗，以避免引线穿过时形成摩擦槽，损坏最终产品，但以往支架必须从生产线中拆除进行清洗维护，这个过程相当耗时，但3D打印的支架中集成了锥形引线座，这种结构减少了对清洗的需求，并且能够在不拆除的情况下，直接在生产线上进行维护。
3D打印支架给飞利浦生产团队带来了更多的创新启发。接下来，飞利浦与Materialise 合作，对灯泡生产线中的吸爪进行创新，以提高自动化水平。
飞利浦的生产线原本是由一名机器操作员长期值守的，操作员的任务是将零件手动放置到12孔吸爪中，添加材料并移走最终产品。如果希望使这个过程更加自动化，则需要增强吸爪的真空吸引力，并需要一个足够轻盈与坚固的结构，可以承受“抓取和放置”动作所产生的伸展和挤压。
已投入使用的3D打印吸爪，图片来源：Materialise。
飞利浦和Materialise对吸爪进行了设计创新，设计思路是整合吸爪的构造，以减少组件数量，设计弯曲的内部通道。设计优化后的吸爪由铝合金（ALSi10Mg）3D打印材料制造。3D打印吸爪在降低单位重量的同时，强度和吸力得到提升，实现了更快速、更可靠的移动。
3D打印吸爪消除了对手动放置零件的需求，为飞利浦生产线每年节省8万欧元的操作成本。此外，重量减轻所带来的速度提升使生产效率进一步提升，生产周期进一步缩短，随之带来的是灯泡产量的增加。
虽然支架和吸爪只是飞利浦照明生产线种的两种小工具，但是通过增材制造设计思维和3D打印技术对它们进行的设计创新，却为飞利浦照明生产线效率的提升发挥了显著的作用。
全新夹具提升装配效率和质量
快速、高效是现代化汽车制造生产线的显著特点，实现高效汽车生产很大程度上依赖于自动化技术，同时也与各种专为汽车装配打造的工装夹具相关。但是在汽车生产线技术创新中，那些与生产、装配效率和精准程度相关的定制化夹具却很少受到人们关注。沃尔沃汽车则对一些看似不起眼的装配夹具进行了创新，这为汽车装配带来了便利性并且节省了生产成本，提高了装配效率和质量。
沃尔沃汽车每年有将近一半的汽车（2016年共计53.3万辆）是由位于比利时根特的工厂生产的，这是一个快节奏的汽车生产线，几乎没有任何出错的余地。
沃尔沃根特工厂与Materialise 合作，对一款装配汽车标志用的夹具进行了设计创新，新夹具采用3D打印零件与现成零件相结合的制造方式。这种设计方式，更易于满足汽车生产线对夹具的个性化需求。这款新夹具重量减轻了64%，在两周内时间即可交付给生产线使用，制造成本几乎是原有夹具的一半。
这款夹具的用途是装配每辆汽车的“品牌”标识、型号和其他标记，具体应用因车型而异，但有一点是一致的，那就是要确保装配的准确、快速以及一致性，并且不会损坏行李箱上的车漆。
沃尔沃工厂以前使用的标识装配夹具是由多个组件焊接在一起的笨重胶合夹具，更大的问题是这款夹具难以校准，公差达+/- 2mm，而且一旦夹具跌落就很容易断裂，影响正常的装配工作。这款传统夹具的交货周期为6周。
新夹具的设计创新目标是使夹具能够实现更加精确的对准，具有可重复性，并且轻巧、坚固耐用，能够承受恶劣的工业环境。
Materialise的设计与工程团队在进行新夹具设计和制造时，采用标准碳素管作为夹具的轻质框架，然后设计了3D打印的连接组件和缓冲器，用于连接碳素管框架。
可以看出，Materialise 没有通过3D打印制造整个夹具，而是采用了模块化的设计，这样做的好处是可以在不同的部位使用不同的材料，从而使夹具不同部位具有不同的属性，比如说夹具中的缓冲器是使用TPU 材料3D打印的，该材料就像橡胶一样耐用，能够确保夹具在跌落时不出现损坏。夹具的连接组件则是采用PA-12（聚酰胺）3D打印的，特别适用于复杂的互锁部件。夹具中胶水通道的设计，则只能通过3D打印实现。
全新设计的夹具的成本降低了48％，重量减轻了64％，更重要的是新夹具易于校准，公差降到了0.2mm 以下，这一改进将提升汽车标识装配的效率和质量。
相约 9月19日 l 上海 l 2018玛瑞斯大会
2018玛瑞斯大会 – 以核心技术助力创造有意义的应用
随着3D打印行业的进一步发展，需要制造企业越来越多地采用3D打印技术，并在一个开放的的生态系统中创造有意义的应用。Materialise（玛瑞斯）始终致力于以3D打印核心技术助力新应用的开发，创造新的商机。
Materialise自1990年进入3D打印领域以来，已经在行业耐心耕耘了28年。拥有在3D打印软件开发、工程设计等方面有着丰富的技术知识与经验，这些专业知识构成了3D打印的核心技术（backbone）。
2018 玛瑞斯大会期间，来自工业设计、材料、设备、应用以及市场研究领域的增材制造/3D打印专家，将分享3D打印技术在航空航天、模具、工业设计等领域的应用价值、应用经验和发展趋势，并从创新、变革、合作三个角度探讨制造企业如何通过 Materialise核心技术助力创造有意义的应用。
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