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(使用最終用途 SLS 3D 列印技術實現臨時替代解決方案 —— AMETEK Brookfield
▲所有照片均由 AMETEK Brookfield 提供。
目前，許多大型硬體製造商已採用 3D 列印作為其新產品設計策略的一部分——眾所周知，它是原型設計的強大工具。然而，很少有企業能夠在其工作流程的後期階段成功部署全面的積層製造策略。
AMETEK Brookfield 是全球領先的材料外觀設備設計商和製造商，已成功整合 3D列印，不僅用於設計和原型製作，還用於夾具、模具，甚至最終用途零件的臨時生產。一項重要的整合措施是透過雷射燒結（SLS）3D 列印技術引入內部生產流程。
Formlabs Fuse 系統使 Brookfield 製造工程師 Ethan Rowe 能夠管理來自內部驗證和製造營運團隊的數百個請求。透過大量生產零件，他可以快速提供適用於多種應用的工業級 3D 列印組件。 Rowe 表示：「由於雷射燒結具有出色的表面處理和材料特性，因此我們能夠在整個業務中進一步採用雷射燒結。」
將增材製造引入 Brookfield 的工作坊
▲使用Fuse系列 SLS 3D列印機進行內部生產並不需要佔用大量空間—如圖所示，Fuse 1+ 30W 列印機和 Fuse Sift 僅佔用幾平方英尺的地面空間，且不需要複雜的基礎設施。
位於麻薩諸塞州米德爾伯勒的 AMETEK Brookfield 製造工廠，設計、工程和製造團隊運用多種製造技術開發工業實驗室設備。他們的粉末流動測試儀、質地分析儀、黏度計等設備，構成了汽車、航空航太、公用事業和化學製造等行業硬體製造商驗證流程的支柱。
製造工程團隊在這些產品生命週期的每個階段（從設計、驗證到生產）為這些產品提供支援。Rowe 在利用一系列3D列印機，致力尋找改進和優化的機會。Rowe 說：「我們致力於實現製造的生產。機械工廠和裝配工廠需要大量工具和夾具，以及新產品開發和尋找能夠節省材料、時間或勞動成本的零件。我幾乎以某種方式參與了這裡的所有產品。」
該工廠擁有七台熔融沉積成型（FDM） 3D 列印機，以及 CNC 銑床、雷射刻印、沖壓等。使用 FDM 幾年後，團隊開始尋找最終用途優質尼龍零件的解決方案。他們一直在 FDM 列印機上加工鋁和列印尼龍，但這兩種選擇都很昂貴且耗時。 FDM 尼龍線材價格昂貴，而且零件顯示出層紋，這使得它們很難在面向客戶的應用中使用。Rowe 說：「我們長期以來一直在嘗試 3D 列印尼龍，但實現這一目標的 FDM 設備非常昂貴。我們做了運輸防護、固定裝置和原型設計，但沒有什麼是我們非常滿意的。」
除了提升零件品質之外，團隊還希望實現更靈活且可擴展的工作流程。羅維說：「我們尋求的是高重複性以及批量生產零件的能力，讓技術能隨需求擴大或縮減。我希望能夠列印1000個或200個零件，並能始終如一地實現相同的品質和承諾。」
添加 Fuse 1+ 30W 使 Rowe 能夠根據米德爾伯勒園區周圍的需求轉移生產。藉Fuse 系列，他能在一夜之間完成某種設計的七次迭代，並在第二天立即列印數百個小型固定裝置，供組裝工廠使用。
「Fuse 本身非常非常容易使用，而且它的吞吐量超過了 FDM 列印機。我更有信心，這些零件會順利生產出來」－Ethan Rowe, AMETEK Brookfield製造工程師
節省成本：替代機械加工並減少勞動時間
▲這款圓錐板附件上的電阻溫度計端口連接用小型電子夾，傳統上每年需加工數百個，並採用銑削工藝製作。雖然銑削很容易，但它們必須手動裝載，這需要幾個小時。在Fuse系列上生產這些最終用途零件可大幅降低勞動成本。
Rowe 的團隊專注於尋找能夠提供最大價值的專案。他們尋找機會讓 Fuse 系列組件能夠提供注塑或銑削零件的性能和最終使用的美觀性，而無需機械師傅的手工勞動時間。
對於 Wells-Brookfield 的錐板配件產品，機械工廠每年需要為電阻溫度檢測器的端口連接組件銑削數百個小型電子夾。雖然材料成本並不高，且零件加工相對簡單，但將這些小巧精密的零件逐一裝入銑床卻需要耗費數小時的手工操作。Rowe 發現了改進的機會，便與內部實測驗證團隊合作，設計出可用 3D 列印製作的替代方案。透過使用 Fuse 1+ 30W 尼龍材質在一夜間完成列印，使他們能夠藉由單一機器和工作流程完成從概念設計、驗證到最終用途生產的全過程，大幅提升效率。
Rowe 說 :「它確實簡化了事情——從原型設計到最終使用生產使用相同的材料確實非常有益。過去，我想用更便宜的東西來製作原型，這可能會隱藏您稍後會看到的缺陷，但現在我們可以用一種材料來完成這兩個任務。」
優化設計工作流程不僅能為公司節省資金，還能加快向客戶交付解決方案的速度。然而，真正的成本節省來自於勞動力成本的降低。將這些零件逐一裝入銑床是零件生產總成本的主要構成部分。而透過具備生產最終用途零件能力的 3D 列印機，勞動力已不再一個是限制因素。從傳統銑削轉向選擇性雷射燒結技術後，成本降低幅度高達88%。
「雖然這些零件可以透過傳統方式加工，但使用Fuse系列設備，我們可以一次處理多達1000個零件，省去了手動將零件逐一裝入銑床的繁瑣步驟。每個零件的成本也從 25美元大幅降至3美元。」－Ethan Rowe, AMETEK Brookfield製造工程師
在無需額外成本或時間的情況下實現更高的複雜性
▲這些用於 Brookfield 的 HPQA™ 和 Helipath Quick Action Lab Stand 的零件包含許多傳統加工方式無法實現的複雜功能。Rowe 的團隊穩定地在內部生產這些產品，每週產量約為12至15件。他們的工作流程不僅提升了供應鏈的敏捷性，還為未來的設計調整預留了靈活空間。
將 Fuse 1+ 30W 列印機設置在辦公室不遠處，讓驗證和設計團隊能夠添加功能並進行測試，而不需要擠壓機械工廠的資源，也不用簡化設計。在研發新產品 HPQA™ Helipath Quick Action Lab Stand 的過程中，團隊能夠在製程中不斷新增傳統加工無法完成的功能。例如：先是金屬夾片，接著是螺紋、馬達外殼，以及帶有自訂擠出形狀的內部腔體——這個零件不斷進化。最初，這個零件被送到機械車間進行常規工作流程，但被拒絕製作。
「我們的機械工廠無法處理這個零件，所以我們考慮外包。結果發現使用 MJF 列印外包需要花費約 50 至 70 美元。使用內部的 Fuse 列印機，我們只需花費 15 至 20 美元的粉末和材料成本，每年能生產大約 1000 個。」
——Ethan Rowe，AMETEK Brookfield 製造工程師
內部 SLS 技術讓 Rowe 能夠每天列印新版本進行測試，而設計的複雜性並不會增加材料或人工成本。Rowe 表示：「3D 列印這些零件讓我們可以輕鬆在傳統加工設計上添加許多昂貴的功能。SLS 的真正優勢在於，這類零件若使用機械加工需要昂貴的設備和大量時間，而使用 3D 列印，我在一週內就能製作 10 到 15 個零件。」
其中許多零件被用作需要經受嚴苛測試的最終驗證部件。當團隊與客戶和管理團隊會面時，收到的回饋非常正面。Rowe 說：「我們的專案經理表示，這些零件看起來像是鑄造的，而不是 3D 列印的。通常 3D 列印會讓人聯想到層紋，但這些零件看起來非常精美。」
臨時生產：解決供應鏈挑戰的關鍵策略
▲當供應商無法及時為專案交付 30 個彈簧固定器的訂單時，Rowe 的團隊對零件進行了逆向工程，透過功能測試對其進行驗證，並使用 Fuse 1+ 30W SLS 列印機和 尼龍 12 粉末進行現場生產。
近期，一家供應商的供應鏈發生混亂，導致無法收到海外出貨的零件，也無法完成向 AMETEK Brookfield 交付30個小型彈簧固定器的訂單。Rowe 的團隊迅速介入，利用Fuse 1+ 30W 和 尼龍 12 粉末，在不到兩週的時間內完成彈簧固定器的逆向工程、驗證測試，以及30個組件的生產工作。
Rowe 解釋道 :「我們對彈簧進行了嚴苛測試，包括壽命週期測試和高溫測試，並將其在各設施間運輸，模擬郵寄服務可能造成的損壞情況。經過層層考驗後，它依然完好無損，因此我們將其列印出來，作為未來替代製造方案的備選選項。」
Rowe 表示 :「最初的零件是簡單的尼龍擠壓成型物件，對 Brookfield 而言，成本並不高，因此優勢並非在於節省大量費用。然而，透過使用 Fuse 系列在內部生產這些零件，團隊獲得了更高的靈活性與可靠性。他們能夠確保生產流程順利進行，並按時交付客戶訂單。「速度非常快。我們不需要重新設計，能夠立即進行列印。從需求提出的第二天起，我們就能準備好進行測試。」
AMETEK Brookfield 的流程改進
布魯克希望提升總部的營運效率，內部積層製造正在發揮越來越大的作用。透過 Fuse系列將選擇性雷射燒結列印技術引入內部，為解決效率低下和尋找節省成本的機會增加了另一種工具。
每種 3D 列印機都有自己的優勢。對於某些零件，例如組裝工廠的快速零件，組裝操作員可以使用自己的 FDM 機器。對於更複雜的設計或最終用途、面向客戶的生產，雷射燒結是最佳選擇。 羅維說 :「對於我們的許多用例來說，選擇性雷射燒結技術是 FFF 製造的更好選擇。」