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(3D 列印賦能的印刷機：海德堡的機器人應用與替換零件
德國海德堡公司（Heidelberger Druckmaschinen AG）是全球領先的膠印機製造商，業務遍及 170 多個國家，在全球擁有近 10,000 名員工。該公司為整個印刷價值鏈生產各種工具和自動化解決方案，從一些最大、最快最先進的印刷機到切割和折疊機。
大約六年前，海德堡為其工作流程添加了一個新維度：3D 列印。最初，他們引入了該技術，透過削減成本和縮短交貨時間來優化原型設計和產品開發。但如今，該公司在批量生產中使用 3D 列印零件，每年為大約 15 種不同的應用生產數千個零件。
請繼續閱讀本篇文章，了解選擇性雷射燒結 (SLS) 3D 列印零件如何支援輕型機器人應用，甚至可以取代折疊機中的鋼製零件。
加速產品開發
「海德堡向我們提供了與新開發相關的項目，特別是在開發超越傳統生產的零件和組件方面，」Joachim Krumma 說。
在海德堡從事產品和應用開發工作 15 年後，Krumma現在經營積層製造領域的技術顧問公司CTS-3 GmbH 。他們與海德堡的研發團隊密切合作，為產品開發以及將新應用轉移到大量生產提供支援。
其中一些開發是在現場進行的，海德堡的產品可以根據最終客戶的即時輸入進行直接測試和改進。
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| ▲Meinders & Elstermann 是貝爾姆的一家大型膠印公司。 | ▲新的海德堡產品在其現場進行進一步測試和開發。 |
「Meinders & Elstermann 是貝爾姆的一家大型膠印公司。我們每年印製約 1 億至 1.2 億張紙。我們的印刷間有四台海德堡印刷機，印刷加工部門有七台摺頁機。海德堡想要投放市場的機器已經過我們的測試，並且正在我們的工廠進行持續開發。」Meinders & Elstermann GmbH & Co. KG 加工部主管 Klaus Harig 說道。
3D 列印零件具有廣泛的應用：用於拾放機器人的輕型零件、用於折疊機的新組件以及以前用鋼製造的機器組件的替換零件。為了生產它們，該團隊依靠Fuse 系列 SLS 3D 列印機和用於剛性部件的尼龍 12 粉末或用於柔性部件的 TPU 90A 粉末。
▲海德堡將 3D 列印零件用於廣泛的應用，包括機器人的輕型零件和以前用鋼製造的機器零件的替代品。
「對我們來說最重要的一點是 3D 列印的速度。我們對不斷變化的客戶需求做出快速回應。我們可以在一兩天內開發和生產新零件，而過去在某些情況下需要幾週的時間。這就是為什麼 3D 列印對我們來說是完美的。」－Joachim Krumma，CTS-3 GmbH 管理人員
除了縮短交貨時間之外，成本節省也非常巨大。這在原型設計領域尤其如此，而且在客製化和小批量最終用途零件的大量生產中也是如此。 「當我們製造零件時，我們經常尋求與正常生產相比成本降低 10 倍或 20 倍，」Krumma 說。
機器人輕量化零件
擁有最多 3D 列印組件的機器的稱號是P-Stacker，這是一種最先進的拾放機器人系統，可以從折疊機中取出成捆的折疊紙張並將其放置在貨板上。
▲P-Stacker 接手了在摺頁機後面堆疊簽名包的繁重任務，減少了操作員的工作量。
「機器人可以將貨板堆放至一公尺高。根據其運行速度，每小時最多可放置 18,000 張紙張。在我們開始使用 P-Stacker 之前，一個人每天必須在貨板上搬運四到六噸的包裹，」Harig 說。
該機器人中的許多3D列印零件都非常複雜，並且同時執行不同的功能，例如負責運動軸、夾緊軸、真空氣動閥、感測器技術和滑動特性的萬向街頭和支架。
「重量起著至關重要的作用，尤其是在機器人應用中。重量越大，零件承受的機械應力越大，進而影響零件的疲勞強度。我們系統中的組件密度相當高，這意味著我們幾乎沒有空間容納大型組件和零件。」Krumma 說。
▲塑膠 3D 列印零件比鋼輕，並且可以根據它們所承受的應力和力進一步優化設計。與機械加工等傳統製造工具不同，設計複雜性的增加不會帶來更高的成本。
這通常會導致非常複雜的非晶結構，因為它們是專門為基於它們所承受的應力和力的應用而開發的——由於它們是連續使用的，所以應力和力可能非常高。 3D 列印零件通常也與其他零件結合使用，例如金屬軸承或鐵氟龍塗層零件，以提供抗摩擦性能。
許多複雜的形狀不具成本效益，甚至不可能用機械加工等傳統工具來製造。有些零件由不同的組件和零件組成，必須費力地組裝、對齊和返工。它們會更重，並且會使元件密度更高。
「如果能夠以傳統方式製造各種零件，與 3D 列印相比，所涉及的工作量將是巨大的。 SLS 列印使我們能夠複製相當複雜的形狀，簡化組件和組件，因為我們可以開發和列印一些非常不定形的幾何形狀。這裡對我們來說非常完美。」－Joachim Krumma，CTS-3 GmbH 管理人員
有些零件不太複雜，但仍需要高精度或精細度。這些可以包括防止污染、屏蔽鋒利邊緣、保護感測器或防止磨損的柔性部件。
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| ▲採用 TPU 90A 粉末列印的柔性零件，用於保護感測器和其他臂端工具。 | ▲柔性零件是卡扣組件的理想選擇。透過屏蔽鋒利的邊緣，它們還可以保護操作員。 |
「我們的機器人最近安裝了一個 3D 列印零件，它可以防止電纜斷裂，因此自然會延長其使用壽命。這樣我們就可以確保不會出現需要更換線束的停機時間，」Harig 說。
▲這種使用 Fuse 系列 SLS 3D 列印機生產的柔性電纜導管可實現複雜的設計，並提供長期耐用的解決方案來保護電纜免受磨損。
替代鋼材的替換零件
避免和減少機器停機時間對於印刷產業至關重要 - 任何延遲都可能導致錯過交付並使印刷材料過時。海德堡廣泛的服務網絡可以在 24 小時內將 95% 的更換零件運送到全球任何目的地，但該團隊很好奇測試按需3D 列印更換零件是否可以為停產零件提供解決方案。
在 Meinders & Elstermann 的一台舊摺頁機中，Krumma 安裝了 3D 列印零件，以取代各種原本由鋼加工而成的零件，例如用於固定重達 13 公斤金屬滾筒的接頭。這些零件位於機器罩下，暴露在過度骯髒和油膩的環境中。由於長時間使用，它們會承受沉重的機械和物理壓力，包括在整個機器瞬間停止的緊急停止期間。
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| ▲3D 列印的替換零件由軸承和耐磨金屬零件組裝而成。 | ▲這些關節裝有高速旋轉的金屬滾輪，每個重達 13 公斤。 |
「他們必須承受持續的壓力，即每週工作五天，兩輪班，承受極高的負荷。我們目前安裝的這些零件已經在機器中使用了兩年半以上。這並沒有在開發初期的計畫中。然而，我們對這些部件進行了持續的觀察，很早就發現它們能夠承受持續的負載。」－Joachim Krumma，CTS-3 GmbH 管理人員
「我不得不說，它們顯然非常耐用。我也不相信，但我們還沒有必要更換折疊機中的任何零件，」Harig 補充道。
▲一些3D列印的替換零件已經在折疊機上安裝了兩年半，每週運行五天，兩輪班，並暴露在過度骯髒和油膩的環境中。
幫助印刷保持競爭力
「許多客戶選擇線上產品而不是印刷產品。結果，我們以前的許多訂單都沒有了。印數越來越少，且必須更快提供。解決這個問題的唯一方法是使用新機器。未來印刷店將會越來越少。那些留下來的人必須確保他們為未來做好準備，」Harig說。
利用 3D 列印機並與 Krumma 和 CTS-3 等專家合作，海德堡能夠加快產品開發速度，使最終客戶能夠在快速變化的市場中保持競爭力。
「如果我們無法使用這項技術，特別是使用 Fuse 系列的 SLS 3D 列印，那麼開發過程將會非常漫長。這些機器使我們能夠在很短的時間內實現非常大的開發步驟。我們可以測試並拒絕或進一步開發想法，並連夜生產零件，以便第二天在客戶場所進行測試。如果沒有這種訪問權限，開發過程幾乎就像傳統製造一樣。」－Joachim Krumma，CTS-3 GmbH 管理人員
「3D 列印每年都在取得巨大飛躍。你會發現那些原地踏步的人都被拋在後面了。與傳統生產相比，我們現在很快就達到了 3D 列印製程絕對獲得回報的階段。看到即將發生的事情和尚未發生的事情令人興奮。我們對此充滿期待。」Krumma說。