抓住机遇
通过加工金属零件并将这些零件固定或焊接在一起，这样制造工装夹具无疑是可行的。这一流程对许多制造商而言再熟悉不过，也因此具有可预见性，这使他们没有作出改变的想法。但如果您也同意这种观点，最终这可能会让您浪费时间和增加开支，因为现在有更理想、更高效的方法可供选择。
事实是，制造业并不是一成不变的，那些固步自封的企业有可能停滞不前，在竞争中落后。新技术取代了效率较低的旧技术，改进了生产方法并简化了供应链。3D打印技术位列其一，但这并不是一项新技术。事实上，不论是小型机械加工厂，还是大型企业，这项技术每天都在被您的竞争对手使用。
简而言之，3D打印提供了一种比机械加工更省时、更经济的工装夹具制作方法。既然变革始于认知，那么本解决方案指南将向您展示这一技术背后的事实，以及制造商如何通过改用3D打印模具而获益。
解决方案：3D打印的聚合物工装夹具
首先，让我们详细了解一下用传统制造方法制作夹具的缺点，并将其与3D打印提供的更理想的解决方案进行比较。
传统制造的缺点
熟练的人力资源日益减少
最近的一项调查显示，77%的制造商认为，吸引和留住工人将是一个持续存在的问题。1熟练掌握CNC加工等领域专业技能的人员越来越少，而对其服务的需求却与日俱增。
交付周期慢/长
还记得您上次更换工具或夹具的需求在当天或第二天得到满足是什么时候吗？如果您依赖传统的制造方法，您就只能任凭内部加工车间或外部供应商安排。这两种情况通常都有积压，您的订单可能需要一周或更长时间才能交付。这类情况对您的运营效率有什么影响？
成本更高
加工、焊接和装配工装夹具的成本通常高于3D打印所产生的成本。究其原因，与材料用量更大（减材与增材）、劳动力需求更高（CNC编程、过程监控、装配）、交付周期更长（生产影响）以及制造量（小批量、定制生产的成本更高）有关。
设计和工艺限制
机加工所能制造零件的复杂程度受到物理条件的限制。这也就对您或操作员采用机加工创建优化夹具的过程造成限制。摆脱工艺限制，自在设计夹具，可能会让您获得质量更轻、适配度更高、运作更好、材料消耗更少等结果，而这些优势可同时兼备。
较重且不符合人体工学
由于上述制造方面的限制，由机加工金属制成的夹具通常都质量较重。这对进行人体工学设计也施加了限制。当工人反复移动沉重的工具时，他们会面临遭受过度使用伤害或损伤的风险。
最低的可行利用率
鉴于传统方式制造的工具和夹具所带来的难题，它们在车间的普及程度通常仅限于关键或必备的应用。结果是，这种现状忽视了更多工具可能带来的潜在好处而错失可提升效率和生产力的机会。
3D打印提供的答案
最低的劳动力和技能要求
与机械师和CNC操作员的技能要求相比，学习和操作FDM®挤压式3D打印机的难度极低。此外，在打印运行过程中，打印机的运行也无需人力监督。唯一的人工操作是在打印开始前装入打印底板或打印托盘，以及在打印完成后取出零件。后处理操作通常仅限于从零件上移除支撑材料。如果使用的是水溶性支撑材料，整个过程即可解放双手。
更快的周转时间
FDM技术可以在数小时内生产出3D打印的夹具，而传统机加工可能需要数天、数周甚至更长时间。如果您进行的是内部打印，您唯一需要等待的是打印机完成作业，随后便可完成交付。
降低成本
由于工装夹具通常是小批量生产项目，其单位成本主要由制造所需的基础设施决定。采用3D打印技术的小批量生产成本更低，因为除了生产零件所需的打印机外，不需要其他任何辅助工具。如果夹具能在一夜之间完成打印并在第二天投入使用，那么这种快速周转就能最大限度地减少对生产的影响，从而产生巨大的效益。另外，3D打印是一种增材制造工艺，仅在制造零件所需时使用材料，从而避免了浪费。
设计自由
3D打印没有机加工方法所面临的物理和几何限制。该技术具有增材、逐层打印的特性，因此可以在3D打印机上轻松打印出有机、复杂的形状。这意味着您可以优化夹具设计，使其与您的作业匹配、利于操作员使用，或两者兼备。
左侧的装配夹具由焊接并固定在一起的多个零件组成。
相比之下，右侧的 3D 打印夹具用途相同，但组成的零件数 量较少，只需一次打印操作即可完成。
更快的周转时间
出于以下几个原因，3D打印的聚合物夹具可提高作业效率。这些夹具比金属更轻，因此更容易处理和操作。它们还可以一体成型制作，从而无需装配或减少安装时间。尽管单个作业的时间差异可能很小，但由于积少成多，在重复性任务上节省的总时间会十分显著。
改善健康与安全
符合人体工学的夹具（更轻、设计更适合人类操作员）可以减少发生肌肉骨骼系统疾病(MSD)的频率。美国劳工统计局得出的数据显示，MSD是最大的工伤类别，占工人赔偿费用的三分之一。2而聚合物3D打印夹具由于具备自由设计和重量更轻的优点，可以在这两个方面同时满足人体工学要求。
提高夹具可用性
如果您能够使用3D打印技术，比使用机加工更快、更便宜地制作工装夹具，那么就有机会增加这些夹具在制造车间的普及率。这将提高劳动力生产力、减少停机时间并提高整体生产效率。
塑料能取代金属吗？
任何初涉3D打印（尤其是聚合物3D打印）的人通常都会对其在制作过往由金属制成的制造工具等方面的有效性产生疑虑，这很合理。然而事实通常证明，3D打印可以在适当的应用中取代金属。
让我们来看看常见的疑虑：
疑虑：塑料模具的强度不足以取代金属。
1
塑料确实并非金属，但这并不意味着它没有适合于处理特定任务的材料特性。具体应用是关键考虑 因素，而 FDM 技术因其广泛的通用热塑性塑料，非常适合于解决许多独有的模具应用问题。
3D打印解决方案
首先，制造中使用的许多金属夹具实则是过度设计。使用耐用的工程级热塑性塑料进行3D打印通常是机加工金属夹具的理想替代方案。当您需要额外的强度和刚度时，ABS-CF10、FDM® Nylon-CF10和FDM® Nylon 12CF等碳填充材料可提供多种选择来满足这些要求。ASA等一些热塑性塑料也比金属材料更适用于制作CMM夹具，因其温度稳定性更高。
疑虑：我目前无法判断3D打印机的资本支出是否合理。
2
证明购买新设备的合理性绝非易事。不过，大量的案例研究已证实3D打印机是如何通过节省而收回购买成本的。在您尝试沿着这条道路走下去之前，还有一个替代选项可以让您试用3D打印以确定其价值。
3D打印解决方案
通过Stratasys Direct Manufacturing等服务机构，您可以快速获得工装夹具等3D打印零件，以供使用和评估。如果它们能带来好处，就更容易量化并向您组织中的决策者展示，以最终证明购买3D打印机的合理性。
疑虑：我们没有操作3D打印机的劳动力资源。
3
与需要熟练操作员的CNC加工不同，3D打印操作不需要具备同等的技能或监督劳动力。事实上，FDM技术是目前最简单的3D打印形式之一。与简化了设计到零件工作流程的GrabCADPrint™软件结合使用时，FDM打印机可无限接近按键式3D打印操作。
3D打印解决方案
这一属性主要意味着，您可以快速培训现有人员（工程师、设计师和机器操作员）使用FDM打印机。系统开始打印后，就不再需要监督。这些人员可以在打印零件的同时承担其他职责。
疑虑：我无法承担引入新技术的风险。
4
引入新设备会给本已紧张的生产计划带来的风险不言而喻，即任何干扰都可能导致未按期交付或客户不满意，更不用说引入新技术了。不过，使用FDM技术进行3D打印可以最大限度地降低这些风险，因为您可以从小规模开始，采取分阶段的方法，以先取得小的胜利，再走向更大的成功。您也可以依靠3D打印服务提供商来熟悉这项技术，并学习他们的专业知识。
3D打印解决方案
许多企业都是从F123 Series™和F123CR复合材料打印机等小型但功能强大的打印机开始取得成功的。它们为这些公司将3D打印技术融入其运营提供了更便捷的途径。这些打印机为其提供了一种低风险/高回报场景，使这些公司能够跟上技术发展的步伐，而不会落后于已经采用增材制造技术的竞争对手。
3D打印夹具的成功案例
以下几名Stratasys客户，大到知名企业，小到生产车间，将通过其真实经历向您展示3D打印夹具为制造商带来的好处。
装配夹具
福特汽车公司
福特的工程师们渴望更轻便、更符合人体工学的车窗玻璃安装夹具，这促使他们寻求3D打印解决方案。为了实现精确且可重复的装配，工程师选择了FDMNylon 12CF碳纤维材料，使工具更轻，同时兼备出色硬度。采用3D打印技术，您还可以按需使用较高密度的材料对夹具进行内部加固，而对于无特殊强度需求的区域，您可使用较低密度的材料，这是使用机加工工具无法实现的。与金属制成的夹具相比，最终您获得的新型夹具质量轻15%，成本降低70%并且更易于使用。
贴标夹具
Mercury Marine
粘贴品牌和产品标签是许多制成品生产过程中不可或缺的一部分。用于粘贴此类标签的夹具需要在不损坏产品表面的情况下提供一致的效果。Mercury Marine使用定制夹具为其生产的船用发动机贴标。然而，这些以传统方式制造的外购夹具既昂贵又笨重，通常每年更换一次。为了规避这些缺陷，Mercury Marine的模具工程师将目光投向了3D打印技术，使用FDM材料组合制造夹具。他们获得了具有足够刚度的保形、无损伤表面。3D打印的贴标夹具将交付周期缩短了96%，大大加快了工具投入生产的速度，同时将成本降低了68%。
CMM夹具
Senga Engineering
Senga Engineering一年生产1700多个零件，每个零件都必须在坐标测量机(CMM)上进行多次检测。传统的CMM工具（如V型块和夹钳）需要部署多种夹具才能全面检测零件。为了降低这些定制装置的交付时间和制作成本，Senga的工程师改用3D打印夹具来固定零件。这为Senga的工程师带来了设计自由，可轻松定制夹具以适应多种零件配置，同时仅需一个夹具便可进行多项测量。节省的费用因零件而有所不同，但在一个真实案例中，Senga节省了80%的时间，降低了93%的成本。
CMM夹具
Christopher Tool
在另一个CMM夹具的例子中，Christopher Tool的技术人员利用3D打印技术掌握了与Senga Engineering媲美的优势。采取老虎钳、磁铁和其他临时夹具方法可能导致测量方面的误差。这一过程耗费时间、产生非增值成本并且不可重复。改为使用定制的3D打印夹具后，工程师可以设计夹具，以便将零件放在最佳位置进行检验。3D打印制作的CMM夹具提高了检测精度，重装时间（在特定设置中放入额外的零件）缩短了90%。
CMM夹具
福特汽车公司
Moog Aircraft Group 为当今几乎所有的商用和军用飞机设计飞行控制系统。为了提高内部CMM检测能力，该公司转而采用FDM 3D打印技术。该公司先前使用的是由第三方制造的工具钢夹具，其费用高昂，并导致交货时间长达数周。现在，Moog为每个机加工零件3D打印专用的CMM夹具，获得了更快的生产速度和更低的成本。在某些情况下，与传统的夹具生产相比，成本降低了80%以上。
将机会成本转化为利润
机会成本就是您在做任何决定时未选择的选项所具有的价值。如果您使用传统方法，用金属制造工装夹具，那么机会成本就是您选择3D打印能够节省的时间和金钱。
举一个简单的例子来说明这一点：假设您需要制作10个固定夹具，为了容易计算，假设每个夹具的材料和人工成本为500美元。相比之下，3D打印这些夹具的成本为250美元。这一价格主要受材料成本影响，因为耗费的人工很少。虽然这只是一个虚构的例子，但上述客户的成功案例表明，3D打印提供了成本更低的选择。
传统制造
10个夹具，
每个500美元
=
5000美元
3D打印
10个夹具，
每个250美元
=
2500美元
两种制造方法之间的差额为2500美元，这就是继续采用传统制造方法的经济机会成本，另外还有时间机会成本。如果您选择用3D打印来代替传统制造（3D打印能够用最少的劳动力提供更快的生产能力），无论是供应商的交付周期，还是技术人员机加工和装配夹具所花费的时间，您可以利用这些节省出来的时间做些什么，这便构成了机会成本。
本文旨在强调3D打印的工装夹具作为机加工金属夹具替代品所带来的机遇。抓住机遇，迎接可观的经济及时间效益。现代制造业中生产流程的速度、效率和适应成都在很大程度上都影响着整体产量和利润率。采用FDM技术的3D打印正能为您提供这些优势。
