在麥肯錫關(guān)于3D打印的應(yīng)用市場(chǎng)預(yù)測(cè)中，到2025年，3D打印在消費(fèi)端的市場(chǎng)將達(dá)到4千億美金。麥肯錫還預(yù)測(cè)到2025年，3D打印在復(fù)雜、小批量的產(chǎn)品制造領(lǐng)域的應(yīng)用將達(dá)到3000億美金的市場(chǎng)容量。那么，吸引制造商在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)應(yīng)用3D打印技術(shù)的原因是什么呢？

A. 無模化。因?yàn)橹圃炷＞叩某杀靖?，周期長(zhǎng)，這使得3D打印在小批量，定制的制造領(lǐng)域具有節(jié)約時(shí)間，降低成本的優(yōu)勢(shì)。

B. 成本對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不敏感。傳統(tǒng)制造工藝在加工尤其復(fù)雜的設(shè)計(jì)的時(shí)候面臨兩個(gè)難題，一是成本隨著產(chǎn)品的復(fù)雜性而急劇上升，二是對(duì)于過于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，難以制造出來。3D打印成本對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不敏感。

      這就給3D打印技術(shù)的應(yīng)用帶來了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，在塑料消費(fèi)產(chǎn)品或機(jī)械零部件的直接制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的這兩種優(yōu)勢(shì)已引起產(chǎn)品制造商的興趣，部分制造商已經(jīng)在最終產(chǎn)品或零部件制造中應(yīng)用3D打印技術(shù)，本期，3D科學(xué)谷就分享兩個(gè)基于光聚合工藝的3D打印技術(shù)在塑料產(chǎn)品及零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用案例。

從6到1，實(shí)現(xiàn)微流體噴嘴的一體化設(shè)計(jì)

     家用、商用攪拌機(jī)制造商Vitamix 在制造商用攪拌機(jī)噴嘴時(shí)嘗試使用了3D打印技術(shù)。這些微流體噴嘴的作用是用于從300微米孔中噴射加壓水，以便快速有效地沖洗攪拌器容器。噴嘴定期暴露于漂白劑、清潔劑和其他消毒劑中。因此，Vitamix 對(duì)于這些噴嘴的功能要求是雙重的：

具有堅(jiān)固的微流體設(shè)計(jì)，以便進(jìn)行高速和高壓噴射水，噴嘴需要具有非常特殊和精細(xì)的幾何形狀；

可靠性，特別是在商業(yè)食品服務(wù)環(huán)境中應(yīng)對(duì)日常磨損的能力 。

注塑生產(chǎn)時(shí)所采用的噴嘴設(shè)計(jì)，由6個(gè)零件組裝而成,

      最初，設(shè)計(jì)師們?nèi)圆捎昧嗽杏糜谧⑺苌a(chǎn)的噴嘴設(shè)計(jì)方式，噴嘴由六個(gè)獨(dú)立零件組裝而成，設(shè)計(jì)師通過3D打印設(shè)備制造這六個(gè)塑料零件，然后組裝成噴嘴。采用這種設(shè)方式，可以降低模具成本，縮短零件交付周期，在幾天內(nèi)完成零件（而采用注塑成型則需要幾個(gè)月的時(shí)間），并能夠在保證零件具有高幾何保真度的同時(shí)也具有良好機(jī)械性能。然而，這種方法仍然需要多部件組裝，并沒有充分利用到3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)。

從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)走向?yàn)樵霾闹圃於O(shè)計(jì)-Vitamix 噴嘴設(shè)計(jì)方式的演變

      于是，Vitamix設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)再次審視整個(gè)工藝，這一次，設(shè)計(jì)師突破了設(shè)計(jì)自由度和設(shè)計(jì)優(yōu)化的界限，把目標(biāo)放在制造整個(gè)噴嘴上，將這個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)優(yōu)化成一個(gè)單一的功能集成零件，沒有裝配要求，實(shí)現(xiàn)了噴嘴的完全優(yōu)化。優(yōu)化后的整體噴嘴具有300微米的孔和復(fù)雜的微流體通道結(jié)構(gòu)，使用材料減少了30％，制造的手工勞動(dòng)減少了55％，噴嘴的成本降低約33％，新噴嘴的耐用性提高了10倍以上。

通過有限元仿真識(shí)別潛在的應(yīng)力區(qū)并確保生產(chǎn)可制造性

噴嘴的設(shè)計(jì)師采用Carbon的剛性聚氨酯（RPU）材料和DLS（數(shù)字光合成）3D打印設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行3D打印。

最終通過測(cè)試的3D打印噴嘴設(shè)

     Vitamix在應(yīng)用3D打印技術(shù)的過程中還加強(qiáng)了產(chǎn)品快速迭代的能力，使用注塑成型方法，單個(gè)設(shè)計(jì)迭代和所需模具可能需要8到10周，而采用3D打印技術(shù)，可以進(jìn)行快速的設(shè)計(jì)驗(yàn)證以及最終的可制造性驗(yàn)證，產(chǎn)品工程師在短短四周的時(shí)間內(nèi)成功地在噴嘴設(shè)計(jì)上迭代了六到七次。目前，Vitamix 準(zhǔn)備通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)上萬個(gè)功能集成化噴嘴。

批量定制化生產(chǎn)

      Gillette（吉列） 利用Formlabs 光固化 (SLA) 3D 打印機(jī)作為剃須刀手柄定制化生產(chǎn)設(shè)備，推出了 48 種不同的設(shè)計(jì)方案，以及多種顏色供消費(fèi)者選擇，消費(fèi)者還可以添加自定義文字。

      Razor Maker? 的設(shè)計(jì)師能夠快速測(cè)試設(shè)計(jì)創(chuàng)意，在幾天之內(nèi)，就可以將設(shè)計(jì)構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)?3D 模型，最后再制造成實(shí)體產(chǎn)品。3D科學(xué)谷認(rèn)為，3D打印技術(shù)的應(yīng)用使吉列加快了產(chǎn)品上市速度，縮短反饋循環(huán)，并在設(shè)計(jì)上更快地迭代，這與快速迭代的消費(fèi)品市場(chǎng)尤其的合拍。

在設(shè)計(jì)方面，由于3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師推出了更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)款式。

     由于3D打印技術(shù)在剃須刀手柄定制化生產(chǎn)中的應(yīng)用，吉列的服務(wù)模式也發(fā)生了改變，消費(fèi)者可以參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中來。首先，消費(fèi)者通過 Razor Maker? 網(wǎng)站設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)一無二的手柄，然后將生成的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為 3D 文件。Razor Maker? 制造團(tuán)隊(duì)將多個(gè)設(shè)計(jì)文件發(fā)送到 3D 打印機(jī)，進(jìn)行批量定制生產(chǎn)。完成3D打印的手柄，經(jīng)過清洗、后固化、涂料和組裝等后處理流程，最后交付給消費(fèi)者。

       傳統(tǒng)制造技術(shù)，如注塑成型，是難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化定制生產(chǎn)的，而無需使用模具，直接制造產(chǎn)品，易于制造小批量定制化產(chǎn)品是 3D 打印的固有優(yōu)勢(shì)。在這個(gè)應(yīng)用中，3D 打印技術(shù)消除了對(duì)注塑模具的需求，因此吉列無需對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行前期模具的投資。

Review

3D打印與注塑競(jìng)爭(zhēng)的可能性有多大？無疑，注塑工藝的優(yōu)勢(shì)在于大批量，而3D打印的優(yōu)勢(shì)在于小批量或者是生產(chǎn)非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)。目前，3D打印的在塑料產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展空間要么是小批量簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，要么是大批量非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

       3D打印技術(shù)要想在大批量復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝上獲得比注塑工藝更大的優(yōu)勢(shì)就需要打印速度更快。而提升打印速度，正是塑料3D打印技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)明顯的趨勢(shì)。比如說Stratasys研發(fā)實(shí)驗(yàn)室孵化出來的Evolve Additive公司，推出了一種與中等批量注塑生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)的3D打印技術(shù)-選擇性熱塑性電子照相過程（STEP），Evolve Additive 稱該技術(shù)，至少比粘合劑噴射3D打印技術(shù)快一個(gè)數(shù)量級(jí)。