干貨！3D打印為緩沖、防護產品創造新機遇的精益之道
魔猴君 知識堂 1355天前
隨著帶有3D打印鞋中底的運動鞋在消費市場上打開局面，其中的關鍵技術-基于彈性塑料材料的3D打印晶格結構（3D打印點陣結構）作為替代傳統泡沫塑料的新一代緩沖、防護材料，引起了制造業的關注。
在生活中，運動鞋、矯形鞋墊、防護頭盔、汽車座椅、耳機等眾多產品中都不乏泡沫塑料的應用。那么，3D打印點陣晶格結構是否也可以用在更廣泛的領域？運動、防護類零件/從產品制造商，怎樣運用3D打印技術，實現產品性能升級？
國際著名塑料零部件制造商裕克施樂（OECHSLER）在點陣晶格結構3D打印領域已積累了大量生產案例，在塑料3D打印零件生產領域建立了從產品設計開發到量產的增材制造全價值鏈增值服務。本期3D科學谷與谷友通過位于中國太倉的裕克施樂3D打印點陣晶格結構生產案例，來共同領略關于大批量生產背后的精益之道。
“擾亂”泡沫塑料的3D打印點陣結構
消費級的泡沫塑料用途廣泛… …
硬質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。傳統軟質泡沫材料，如EVA，由于質量輕、柔軟度好，具備緩沖、吸音、吸震、保溫、過濾等功能，廣泛應用于電子、家電、汽車、體育休閑等行業[1]，做襯墊材料，泡沫人造革等應用。[1]
工業級應用方面，用反應注射成型制得的玻璃纖維增強聚氨酯泡沫塑料，已用作飛機、汽車、計算機等的結構部件；而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料，質輕而耐高溫，已用于航天器中。[2]
在部分領域，3D打印晶格結構已開始替代傳統泡沫塑料。
面向增材制造的點陣晶格設計© 裕克施樂
以消費領域的體育用品為例，足球防護墊、運動鞋中底都是傳統EVA 泡沫材料的應用場景，這一材料具有緩沖和能量回饋作用。其中運動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，制造商能夠將目光轉向3D打印晶格結構呢？
仍以運動鞋中底制造為例。揭開3D打印晶格結構的“面紗”，引起運動鞋制造企業重視的重要原因是，3D打印應用能夠使他們擺脫傳統鞋中底制造方式的局限性，提供復雜的高性能整體設計。
使用傳統工藝，制造商通常需要組裝多個零件才能在單個中底中創建不同的性能區域，而使用3D打印技術則能夠在同一塑料零件中以數字化的方式制造具有不同功能區的鞋底。在3D打印鞋中底中，起到關鍵作用的是3D打印晶格結構。
更廣泛的應用成為可能！
3D打印晶格結構，可以認為是大量相同的點陣單元通過某種形式周期性地組合而構成的多孔結構。這種結構的性能具有很高的設計靈活性，通過調整點陣的相對密度、單胞的構型、連桿的尺寸，達到結構的強度、剛度、韌性、耐久性、靜力學性能、動力力學性能的完美平衡。[4]
這意味著，設計師通過調整單個胞元尺寸、桿徑和胞元形狀，將可能實現產品更高的設計美感和力學性能。結合3D打印在制造復雜結構方面的能力，設計師能夠更加能夠專注于產品本身，這為3D打印晶格結構的應用打開了更大的空間。
接下來，我們通過裕克施樂已進行批量生產的案例，來看一看3D打印晶格結構怎樣與產品結合，為產品設計創新以及性能提升帶來哪些可能性。
從運動鞋中底切入到3D打印精益制造全價值鏈
裕克施樂是面向大批量生產的高附加值產品的精益化制造解決方案提供商，在競爭中擁有獨特的市場定位，裕克施樂還擁有代表最新技術水平的測量技術，極高水準的質量和環境管理。在中國，裕克施樂在太倉為汽車、醫療、工業和鞋類板塊生產高質量的產品。
l 運動鞋中底
裕克施樂從運動鞋中底的制造切入到了3D打印市場，裕克施樂注重先進技術的創新與研發，在面向增材制造的晶格結構設計與這類結構的增材制造（3D打印）批量生產領域走在業界前列。裕克施樂通過位于德國、美國和中國（太倉）的生產基地，已經生產了超過200萬個3D打印零件，在此基礎上，裕克施樂建立了從3D打印產品設計開發，到成品批量生產的增材制造全價值鏈增值服務。
裕克施樂生產的高性能運動鞋中底© 裕克施樂
上圖是裕克施樂采用Carbon 公司DLS? 高速光固化3D打印設備生產的3D打印鞋中底，裕克施樂太倉生產基地每年可向客戶交付近100萬雙的鞋中底。
裕克施樂有針對性的細化客戶需求，利用晶格設計擁有的獨特設計靈活性，達到客戶產品所需的功能，性能等要求。晶格設計往往擁有復雜的幾何結構，而制造復雜的結構恰好是增材制造技術在工業制造中的競爭優勢之一，可以說晶格設計與增材制造的絕妙組合將能給客戶的產品帶來獨特的創新性。
對于量產3D打印產品而言，保持質量一致性至關重要。裕克施樂通過嚴格的生產環境控制，選擇合適的打印技術和優化的后處理工藝來實現打印量產質量的一致性。
裕克施樂整個生產車間，包括原材料存儲倉庫通過獨立的控制系統實現溫度濕度的穩定控制，配合不同區域點位的實施監控形成閉環管控，保證了整個打印生產過程環境的穩定性。
裕克施樂擁有全球最多的Carbon 3D打印機。采用逐層沉積原理的增材制造工藝，其機械性能取決于部件的打印方向（各向異性），而Carbon 的DLS 數字光合成技術所生產的零件在所有方向上都表現一致（各向同性）。這是保證打印產品質量一致性的條件之一。
對于某些需要二次固化的3D打印產品而言，產品的后處理好壞，除了會直接影響外觀表現外，更是會直接決定最終產品力學功能特性。裕克施樂在后處理工藝研發方面的能力與豐富經驗，為量產產品的質量一致性提供有效保證。
l 防護頭盔
裕克施樂生產的高性能橄欖球頭盔護墊© 裕克施樂
極強沖擊力的美式橄欖球頭盔護墊，設計師通過運動員對保護頭盔的性能要求，選擇合適的晶格形狀，通過精細調整每個支撐桿徑的厚度來調整晶格結構的硬度，對十幾萬個獨立的晶格支撐結構進行特別調整，最終實現了晶格結構中內部的阻尼支柱與運動員在運動中所經歷的沖擊方向相對來吸收和分散能量。
高性能橄欖球頭盔護墊細節圖© Carbon
此外，該頭盔襯墊除了提供卓越的保護性能，還能給運動員帶來卓越的透氣性和出色的貼合度。
l 防護面罩防護區域
在抗擊新冠疫情的過程中，醫護人員在長時間佩戴防護面罩后會感到不適。
裕克施樂生產的3D打印防護面罩© 裕克施樂
裕克施樂生產的防護面罩，采用了面向增材制造的先進晶格設計，優化了晶胞形狀，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打印晶格結構在舒適性方面所帶來的新體驗，引起了高端汽車制造商的興趣，這種面向增材制造的先進設計被集成在了汽車座椅中。
裕克施樂生產的汽車座椅3D打印中間層材料（右）© 裕克施樂
裕克施樂生產的3D打印晶格結構，可作為座椅的中間層材料，這里也是座椅的舒適層。在座椅的不同區域，3D打印晶格胞元的設計有所不同，晶格設計的多樣性，使得座椅的不同區域具有不同的功能與性能。
座椅舒適層的應用，很好的體現了3D打印晶格結構的性能所具有的高設計靈活性。
重塑產品的精益之道！
3D打印晶格結構為以往受到泡沫塑料工藝限制而無法實現的設計，帶來突破的可能性。裕克施樂建立的增材制造全價值鏈增值服務體系，為面向增材制造的先進設計提供了轉化為現實產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…..等應用是3D打印晶格結構的應用起點，隨著高性能3D打印材料的豐富，產品開發團隊將迎來更多通過全新設計思維、新材料和增材制造重塑產品舒適性、安全性的新機遇。
