3D 打印机在精益生产中的运用

3D打印是一种流行的新型制造技术。它的优势在于几乎可以生产出任何形状，而且无需任何定制工具。在这篇博文中，我想展示如何在精益生产中使用 3D 打印技术，使生产系统更加高效！

3D 打印简介

3D打印或称快速成型制造，是一种革命性技术，可根据数字设计逐层制造三维物体。 与去除材料的传统工艺不同，3D 打印只在需要的地方添加材料，大大减少了浪费。它的工作原理是将数字模型切成薄截面，然后打印机根据这些层沉积或融合材料，直至物体完成。这一过程可以制造出复杂的几何形状和定制产品。

由于3D打印是一项很酷的技术，我过去偶尔也写过关于它的文章（例如，我在 2013 年参观了欧洲模具展，或在2024 年参观了 Stratasys 公司）。不过，在这篇文章中，我的重点是如何将 3D 打印技术用于精益生产。

3D 打印部件已经用于商业产品，通常多用于定制产品或小批量产品。另一个主要用途是原型设计和测试。有时，他们会直接打印产品。即使最终使用效果不够好，但对原型制作还是很有帮助的。另外，还可以打印工具来制造产品！例如，这里的吹塑模具可以使用最终材料制造产品。虽然它的使用寿命可能不如钢模或铝模，但它足以用于测试和原型制作。

我见过的 3D 打印

在我参观车间的过程中，我看到越来越多的 3D 打印机和 3D 打印出来的东西，它们不一定是产品的一部分，而是辅助制造产品的工具。最近的我在参观位于丁格芬的宝马工厂时，有机会深入车间，宝马的汽车工厂非常出色，是欧洲唯一让我感觉像是在丰田的工厂。每个人都很忙，但没有压力，增值时间所占比例非常高，与丰田不相上下（汽车工厂的增值比较）。我可能还会写几篇与宝马丁格芬有关的文章。我还注意到梅赛德斯（Mercedes）工厂的 3D 打印部件，我认为 3D 打印在整个工业中的应用正变得越来越频繁。

言归正传，回到 3D 打印。装配线的每个部门都有自己的 3D 打印机。工段长和小组长经常用它们来打印零件。虽然打印机不是全天候运行，但它们的用途很广。

3D打印工具应用实例

车间里有不少 3D 打印部件。当然，也有一些是为了好玩，比如工具车上的 3D 打印扰流板。不过，也有一些是真正用来提高效率的。

一个很好的例子就是车顶的组装。车顶是用胶水粘上去的。在准备上胶的过程中，有必要清洁车顶上需要上胶的部分。工人必须用圆形清洁工具在胶水的路径上擦拭两次。下图左侧是屋顶草图，灰色部分是工人必须用清洁工具擦过的路径。特别是三角形部分，工人必须紧贴路径，这一点非常棘手。偏离路径不仅会导致清洁效果不佳，而且工人还有可能将清洁工具撞到屋顶的其他部分（如橡胶部分[未显示]），从而造成损坏。

因此，工人必须非常小心，以确保清洁质量。使用 3D 打印框架后，整个过程大大简化，如右上图和下图所示。该框架通过一个参考点（边缘或凹槽，图中未显示）定位。现在，工人只需沿着框架移动工具，而无需担心偏离路径或损坏屋顶的其他部分。这大大提高了效率和质量。

这些工具都是由该部门的小组领导主动设计的。一般来说，宝马（以及丰田）公司的大部分改进工作都是由一线操作员及其直接主管完成的，而不是由时间有限的远方工程师完成的。

顺便提一下，这个工位还直接在工件（车顶）表面投影作业指导书。投影仪通过投影出工人应从哪里开始、多长时间开始以及朝哪个方向开始的箭头来提供帮助。当工人完成一段清洁路径时，投影会自动更新。已经跟随的箭头消失，新的箭头出现。总之，这降低了遗忘某个环节的风险。

关于技术和成本

Stratasys 的 FDM 机器。

目前有许多不同的 3D 打印技术。最高端的是任何涉及激光的技术，如选择性激光烧结或选择性激光熔化。不过，它们的成本高达数十万美元，并不便宜。此外，所使用的粉末也很复杂。因此，无论是从经济角度，还是从清洁和卫生角度来看，这种方法都不适合车间使用。立体光刻技术和粘合剂喷射技术也太复杂。

车间 3D打印的首选技术是熔融沉积建模（DFM，又称熔融长丝制造，FFF），通过加热塑料长丝并逐层挤出来制造零件。这些机器易于使用、清洁、安全。而且……它们也并不昂贵。消费级机器的起价低至 100 美元。不过，它们的性能还不足以满足工业用途。但工业级熔融沉积建模机仅需几千美元。对于大多数公司来说，在车间里安装一台熔融沉积建模机在经济上是可行的。

在培训中使用的 3D 打印辅助工具

我甚至在自己的精益培训中使用 3D 打印部件。我和我的搭档用搭建了一条小型装配线，可以在预设时间将一个球向前推进。我们用它来模拟小型生产系统，演示（转移）瓶颈，并教授生产线的不同运行方式。 3D 打印机在这些培训的实操部分帮了我们大忙。

总之，3D 打印在提高质量、生产率和成本方面大有可为。现在，走出去，打印一些对车间有用的小工具，组织你的行业！

附注：非常感谢Thorsten Ahrens向我展示了他在宝马集团 Dingolfing 的车间！宝马是少数几家在精益生产方面接近丰田的汽车制造商之一（另一家是日产）。

 

Translated by Xie Xuan