干貨！3D打印為緩沖、防護(hù)產(chǎn)品創(chuàng)造新機(jī)遇的精益之道

魔猴君  知識(shí)堂   1385天前

隨著帶有3D打印鞋中底的運(yùn)動(dòng)鞋在消費(fèi)市場(chǎng)上打開局面，其中的關(guān)鍵技術(shù)-基于彈性塑料材料的3D打印晶格結(jié)構(gòu)（3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)）作為替代傳統(tǒng)泡沫塑料的新一代緩沖、防護(hù)材料，引起了制造業(yè)的關(guān)注。

在生活中，運(yùn)動(dòng)鞋、矯形鞋墊、防護(hù)頭盔、汽車座椅、耳機(jī)等眾多產(chǎn)品中都不乏泡沫塑料的應(yīng)用。那么，3D打印點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)是否也可以用在更廣泛的領(lǐng)域？運(yùn)動(dòng)、防護(hù)類零件/從產(chǎn)品制造商，怎樣運(yùn)用3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能升級(jí)？

國際著名塑料零部件制造商裕克施樂（OECHSLER）在點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)3D打印領(lǐng)域已積累了大量生產(chǎn)案例，在塑料3D打印零件生產(chǎn)領(lǐng)域建立了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)到量產(chǎn)的增材制造全價(jià)值鏈增值服務(wù)。本期3D科學(xué)谷與谷友通過位于中國太倉的?？耸?/span>3D打印點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)生產(chǎn)案例，來共同領(lǐng)略關(guān)于大批量生產(chǎn)背后的精益之道。

“擾亂”泡沫塑料的3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

消費(fèi)級(jí)的泡沫塑料用途廣泛… …

硬質(zhì)泡沫塑料可做熱絕緣材料和隔音材料，管道和容器等的保溫材料，漂浮材料及減震包裝材料等。傳統(tǒng)軟質(zhì)泡沫材料，如EVA，由于質(zhì)量輕、柔軟度好，具備緩沖、吸音、吸震、保溫、過濾等功能，廣泛應(yīng)用于電子、家電、汽車、體育休閑等行業(yè)[1]，做襯墊材料，泡沫人造革等應(yīng)用。[1]

工業(yè)級(jí)應(yīng)用方面，用反應(yīng)注射成型制得的玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫塑料，已用作飛機(jī)、汽車、計(jì)算機(jī)等的結(jié)構(gòu)部件；而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料，質(zhì)輕而耐高溫，已用于航天器中。[2]

在部分領(lǐng)域，3D打印晶格結(jié)構(gòu)已開始替代傳統(tǒng)泡沫塑料。

面向增材制造的點(diǎn)陣晶格設(shè)計(jì)© ?？耸?/span>

以消費(fèi)領(lǐng)域的體育用品為例，足球防護(hù)墊、運(yùn)動(dòng)鞋中底都是傳統(tǒng)EVA 泡沫材料的應(yīng)用場(chǎng)景，這一材料具有緩沖和能量回饋?zhàn)饔谩Ｆ渲羞\(yùn)動(dòng)鞋中底最常用的泡沫是稱為EVA（乙烯醋酸乙烯酯）的閉孔泡沫。[3]

長期以來，EVA泡沫被用作鞋中底的制造材料。那么，在什么情況下，制造商能夠?qū)⒛抗廪D(zhuǎn)向3D打印晶格結(jié)構(gòu)呢？

仍以運(yùn)動(dòng)鞋中底制造為例。揭開3D打印晶格結(jié)構(gòu)的“面紗”，引起運(yùn)動(dòng)鞋制造企業(yè)重視的重要原因是，3D打印應(yīng)用能夠使他們擺脫傳統(tǒng)鞋中底制造方式的局限性，提供復(fù)雜的高性能整體設(shè)計(jì)。

使用傳統(tǒng)工藝，制造商通常需要組裝多個(gè)零件才能在單個(gè)中底中創(chuàng)建不同的性能區(qū)域，而使用3D打印技術(shù)則能夠在同一塑料零件中以數(shù)字化的方式制造具有不同功能區(qū)的鞋底。在3D打印鞋中底中，起到關(guān)鍵作用的是3D打印晶格結(jié)構(gòu)。

更廣泛的應(yīng)用成為可能！

3D打印晶格結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是大量相同的點(diǎn)陣單元通過某種形式周期性地組合而構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的性能具有很高的設(shè)計(jì)靈活性，通過調(diào)整點(diǎn)陣的相對(duì)密度、單胞的構(gòu)型、連桿的尺寸，達(dá)到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐久性、靜力學(xué)性能、動(dòng)力力學(xué)性能的完美平衡。[4]

這意味著，設(shè)計(jì)師通過調(diào)整單個(gè)胞元尺寸、桿徑和胞元形狀，將可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更高的設(shè)計(jì)美感和力學(xué)性能。結(jié)合3D打印在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的能力，設(shè)計(jì)師能夠更加能夠?qū)Ｗ⒂诋a(chǎn)品本身，這為3D打印晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用打開了更大的空間。

接下來，我們通過裕克施樂已進(jìn)行批量生產(chǎn)的案例，來看一看3D打印晶格結(jié)構(gòu)怎樣與產(chǎn)品結(jié)合，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及性能提升帶來哪些可能性。

從運(yùn)動(dòng)鞋中底切入到3D打印精益制造全價(jià)值鏈

?？耸肥敲嫦虼笈可a(chǎn)的高附加值產(chǎn)品的精益化制造解決方案提供商，在競爭中擁有獨(dú)特的市場(chǎng)定位，?？耸愤€擁有代表最新技術(shù)水平的測(cè)量技術(shù)，極高水準(zhǔn)的質(zhì)量和環(huán)境管理。在中國，?？耸吩谔珎}為汽車、醫(yī)療、工業(yè)和鞋類板塊生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品。

l 運(yùn)動(dòng)鞋中底

裕克施樂從運(yùn)動(dòng)鞋中底的制造切入到了3D打印市場(chǎng)，?？耸纷⒅叵冗M(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)，在面向增材制造的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與這類結(jié)構(gòu)的增材制造（3D打印）批量生產(chǎn)領(lǐng)域走在業(yè)界前列。裕克施樂通過位于德國、美國和中國（太倉）的生產(chǎn)基地，已經(jīng)生產(chǎn)了超過200萬個(gè)3D打印零件，在此基礎(chǔ)上，?？耸方⒘藦?/span>3D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，到成品批量生產(chǎn)的增材制造全價(jià)值鏈增值服務(wù)。

?？耸飞a(chǎn)的高性能運(yùn)動(dòng)鞋中底© ?？耸?/span>

上圖是裕克施樂采用Carbon 公司DLS? 高速光固化3D打印設(shè)備生產(chǎn)的3D打印鞋中底，裕克施樂太倉生產(chǎn)基地每年可向客戶交付近100萬雙的鞋中底。

?？耸酚嗅槍?duì)性的細(xì)化客戶需求，利用晶格設(shè)計(jì)擁有的獨(dú)特設(shè)計(jì)靈活性，達(dá)到客戶產(chǎn)品所需的功能，性能等要求。晶格設(shè)計(jì)往往擁有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，而制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)恰好是增材制造技術(shù)在工業(yè)制造中的競爭優(yōu)勢(shì)之一，可以說晶格設(shè)計(jì)與增材制造的絕妙組合將能給客戶的產(chǎn)品帶來獨(dú)特的創(chuàng)新性。

對(duì)于量產(chǎn)3D打印產(chǎn)品而言，保持質(zhì)量一致性至關(guān)重要。裕克施樂通過嚴(yán)格的生產(chǎn)環(huán)境控制，選擇合適的打印技術(shù)和優(yōu)化的后處理工藝來實(shí)現(xiàn)打印量產(chǎn)質(zhì)量的一致性。

?？耸氛麄€(gè)生產(chǎn)車間，包括原材料存儲(chǔ)倉庫通過獨(dú)立的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度濕度的穩(wěn)定控制，配合不同區(qū)域點(diǎn)位的實(shí)施監(jiān)控形成閉環(huán)管控，保證了整個(gè)打印生產(chǎn)過程環(huán)境的穩(wěn)定性。

裕克施樂擁有全球最多的Carbon 3D打印機(jī)。采用逐層沉積原理的增材制造工藝，其機(jī)械性能取決于部件的打印方向（各向異性），而Carbon 的DLS 數(shù)字光合成技術(shù)所生產(chǎn)的零件在所有方向上都表現(xiàn)一致（各向同性）。這是保證打印產(chǎn)品質(zhì)量一致性的條件之一。

對(duì)于某些需要二次固化的3D打印產(chǎn)品而言，產(chǎn)品的后處理好壞，除了會(huì)直接影響外觀表現(xiàn)外，更是會(huì)直接決定最終產(chǎn)品力學(xué)功能特性。?？耸吩诤筇幚砉に囇邪l(fā)方面的能力與豐富經(jīng)驗(yàn)，為量產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量一致性提供有效保證。

l  防護(hù)頭盔

?？耸飞a(chǎn)的高性能橄欖球頭盔護(hù)墊© 裕克施樂

極強(qiáng)沖擊力的美式橄欖球頭盔護(hù)墊，設(shè)計(jì)師通過運(yùn)動(dòng)員對(duì)保護(hù)頭盔的性能要求，選擇合適的晶格形狀，通過精細(xì)調(diào)整每個(gè)支撐桿徑的厚度來調(diào)整晶格結(jié)構(gòu)的硬度，對(duì)十幾萬個(gè)獨(dú)立的晶格支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行特別調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了晶格結(jié)構(gòu)中內(nèi)部的阻尼支柱與運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)中所經(jīng)歷的沖擊方向相對(duì)來吸收和分散能量。

高性能橄欖球頭盔護(hù)墊細(xì)節(jié)圖© Carbon

此外，該頭盔襯墊除了提供卓越的保護(hù)性能，還能給運(yùn)動(dòng)員帶來卓越的透氣性和出色的貼合度。

l  防護(hù)面罩防護(hù)區(qū)域

在抗擊新冠疫情的過程中，醫(yī)護(hù)人員在長時(shí)間佩戴防護(hù)面罩后會(huì)感到不適。

裕克施樂生產(chǎn)的3D打印防護(hù)面罩© ?？耸?/span>

?？耸飞a(chǎn)的防護(hù)面罩，采用了面向增材制造的先進(jìn)晶格設(shè)計(jì)，優(yōu)化了晶胞形狀，材料為高性能彈性體，打印成型后顯著提升了該防疫面罩的佩戴舒適度和可靠性。

l  汽車座椅

3D打印晶格結(jié)構(gòu)在舒適性方面所帶來的新體驗(yàn)，引起了高端汽車制造商的興趣，這種面向增材制造的先進(jìn)設(shè)計(jì)被集成在了汽車座椅中。

?？耸飞a(chǎn)的汽車座椅3D打印中間層材料（右）© ?？耸?/span>

?？耸飞a(chǎn)的3D打印晶格結(jié)構(gòu)，可作為座椅的中間層材料，這里也是座椅的舒適層。在座椅的不同區(qū)域，3D打印晶格胞元的設(shè)計(jì)有所不同，晶格設(shè)計(jì)的多樣性，使得座椅的不同區(qū)域具有不同的功能與性能。

座椅舒適層的應(yīng)用，很好的體現(xiàn)了3D打印晶格結(jié)構(gòu)的性能所具有的高設(shè)計(jì)靈活性。

重塑產(chǎn)品的精益之道！

3D打印晶格結(jié)構(gòu)為以往受到泡沫塑料工藝限制而無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，帶來突破的可能性。?？耸方⒌脑霾闹圃烊珒r(jià)值鏈增值服務(wù)體系，為面向增材制造的先進(jìn)設(shè)計(jì)提供了轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的大批量精益制造交付能力。

自行車座、鞋中底、汽車座椅、頭盔襯墊、矯形鞋墊、頭戴式耳機(jī)…..等應(yīng)用是3D打印晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起點(diǎn)，隨著高性能3D打印材料的豐富，產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)將迎來更多通過全新設(shè)計(jì)思維、新材料和增材制造重塑產(chǎn)品舒適性、安全性的新機(jī)遇。