如何借助 3D 打印生产备件和替换件

备件和替换件对于制造工厂和消费者都至关重要，它们能有效避免因设备出现故障需要维修或翻新时导致的停机与生产力下降。为保障关键备件的获取与供应，企业往往需要维持高昂的库存成本，并在动态变化的供应链中艰难协调。

但是，如果供应商停产或交货周期过长，该怎么办？

采用 3D 打印技术制造备件和替换件正日益成为应对供应链中断和备件供应难题的有效解决方案。现在，3D 打印机不仅能帮助客户自制备件和应急替换件，还能生产可替代传统工具制造部件的耐用替换件，从而帮助制造商以按需生产模式取代大规模库存备货。

本指南将详细阐述如何通过增材制造数字化制造备件，协助您选择适合的技术方案，并展示实际应用案例。

备件需在特定系统中发挥作用，为确保 3D 打印备件正常工作，首先要考虑部件的技术要求，如几何形状、预期用途和机械应力等因素。以下为关键评估标准：

• 几何形状：3D 打印机提供几乎无限的设计自由度，传统工具制造的部件大多可通过 3D 打印实现。有时可能会建议进行一些设计调整，以降低成本、提升打印速度或增加结构强度。

• 尺寸适配：部件需要适合 3D 打印机的成型体积，桌面级和立式打印机的成型体积尺寸一般在 15 - 30cm 之间。若替换组件尺寸过大，可将其拆解为多个小型部件制造后再组装。

• 材料选择：3D 打印机可以替代多数塑料部件，甚至部分金属部件。应选择性能最接近原始部件的打印材料。

• 受力情况：考虑替换件所应承受的应力和冲击。选择更先进的 3D 打印技术和工程材料来制作持久耐用的部件。

即使 3D 打印备件不能完全满足所有标准，但仍可作为临时替代方案有效避免设备停机。在这种情况下，可以使用一个能确保功能正常但长期耐用性有限的 3D 打印备件，直到获得正式替换件。 

确定部件可进行 3D 打印后，需获取备件的 3D 模型。如果替换件属于自有产品，且原设计采用 CAD 软件制作，则数字文件可以直接调用。对于第三方工具，部分制造商会提供官方备件的原始 CAD 模型。

如无现成设计文件，可通过 CAD 软件自行建模，或委托专业设计服务公司完成。对于设计简单的部件，可以根据人工测量进行建模，复杂部件则建议通过 3D 扫描进行逆向工程，这是实现部件复制设计与生产的有效工作流程。

通过打印准备软件对 CAD 模型进行处理，随后发送至 3D 打印机进行打印。挑选合适的技术与材料至关重要 — 具体建议请参阅下一章节。

3D 打印部件通常需经过一定后处理，如清洗、除粉、去除支撑结构、后固化或打磨等。处理后部件可直接使用，也可根据具体应用场景进一步后处理，如平滑、喷漆、涂层等。

替换件准备就绪后需进行功能测试，确保 3D 打印备件的功能符合预期。如果测试发现缺陷，3D 打印可轻松修改设计并重新打印，快速迭代优化备件性能。

测试的深度应取决于应用场景。对于临时替换件，只需确保在有限时间内正常工作即可，但若打算用 3D 打印的替换件作为传统部件的长期替代品使用，制造商应让新部件接受与原部件同等的测试周期，同时还要考虑到 3D 打印工艺的特殊性，比如不同打印定向产生的强度差异。

几十年来，3D 打印在原型制造和产品开发过程中无处不在。现在，这项日益成熟的技术已广泛应用于制造业中。在产品开发过程中，制造商已充分利用 3D 打印的灵活性制造内部工具，如夹具、固定装置和其他制作辅助工具，甚至用于注射成型或热压成型的模具等快速模具制作。

最近在机械、材料和软件方面的发展为生产高精度的功能性 3D 打印部件提供了机会；您可用该方法来生产长期耐用的备件和替换件，甚至代替成品部件。

相比大多数传统制造工艺依赖昂贵的工业机械、专用设施及熟练的操作人员，3D 打印只需较低的管理成本和极少的基础设施就能实现内部生产。用于制造塑料部件的紧凑型桌面级或立式 3D 打印系统价格亲民，占地空间小，且无需特殊操作技能。

对于时效要求不高的替换件来说，外包也是一种选择，但往往面临与实体备件库存相同的挑战。与大多数 3D 打印部件不到 24 小时的交付时间相比，外包交付周期可能长达数周，由此导致的交付延迟会增加设备停机时间延长和产能损失的风险。

对制造商而言，将备件库存管理与替换件生产数字化，有助于克服供应链中断、最低订购量要求以及因部件过时而导致浪费等传统挑战。

建立数字仓库是降低库存管理成本的一种经济有效的方法。该系统与 3D 打印等内部数字制造工具搭配使用，可支持按需生产策略，帮助制造商降低成本、缩短备货时间、提高应变能力并减少停机损失。

数字仓库或备件库存用于储存备件设计模型、系统化分类组件、优化材料清单并管理库存。借助 3D 打印机及其他数字化制造工具，制造商既可以生产实体库存备件，也能在需要时即时更换故障件。

替换件制造是 3D 打印最常见的应用场景之一。让我们通过 Formlabs 客户的真实案例，从汽车应用领域的 3D 打印备件到自定义机器人抓手，了解这项技术如何落地实践。

屡获殊荣的定制车厂 Ringbrothers 最初引入 SLA 3D 打印作为原型制造工具，在公司内部以更快的速度和更高的成本效益进行设计迭代。随着技术应用的深入，他们发掘出通过 3D 打印提升成品部件（包括经典车型备件）质量与创意表现的新路径。

在一次后视镜项目中，团队将 3D 打印部件用于最终装配；该部件作为永久装配固定装置，粘合在碳纤维外壳内，其他部件通过螺栓固定于其上。另一案例中，团队采用可铸造的 3D 打印材料，为定制车项目制作金属徽章。

“若非通过 3D 打印蜡模并交由[本地珠宝商]进行内部铸造，我们不可能实现如此精细的细节。”

全球最大家具制造商 Ashley Furniture 将 3D 打印与机器人等新技术全面融入生产线。在其威斯康星州阿卡迪亚的工厂里，700 个 3D 打印部件正与工业机器人和 CNC 铣削工作台协同工作，覆盖从装配到制造的各个环节。

除了制作辅助工具，3D 打印在制造车间中最实际的应用之一是制作替换件。当点对点钻孔机的真空卡环无法单独购买时，以往只能花费高昂的价格购买整个装配件。

“制造商不会单独出售卡环，我们原本只能购买整套组件，这需要花费 700 美元。”生产工程师 Brian Konkel 表示。“而借助 3D 打印技术，我们能够对部件进行 3D 扫描来捕获其几何形状并打印出替换部件，成本只需 1 美元，这样一来，即可保持钻孔设备持续运行，而无需购买整套组件。”

Productive Plastics 是一家领先的合同制造公司，专业从事定制塑料热压成型组件的生产和设计服务。旗下运营着六个制造单元，因此可以同时进行多个项目。每个单元都配备了工业热压成型机、CNC 铣床、装配区以及用于组织和监控操作的计算机系统。

如果一台机器上的冷却风扇发生损坏，则热压成型机将无法使用，进而导致整个工作单元关闭。该团队预计需要花费六到八周的时间才能从供应商处收到替换件。为了在等待维修期间使车间保持运转，他们利用 3D 打印技术为叶轮制造了一个临时替换件。

他们在 Solidworks 中设计了两个替换叶轮迭代版本，然后使用 Nylon 12 Powder 在 Fuse 1 SLS 3D 打印机中连夜打印出来。SLS 3D 打印技术的自支撑特性可以实现带有中心孔的双面设计，因此在打印完成后，无需移除支撑或进行后处理，即可将打印好的叶轮直接与现有机器进行适配。

“通过其他许多打印方法，我们很难制作出叶轮的背面，特别是肋条和中心孔，而这是注射成型类型的特征。[…] 我们选择 Fuse 1 的原因之一就是在打印过程中无需用到支撑。这个部件确实凸显了 Fuse 1 在打印复杂几何结构方面的优势，”Productive Plastics 销售和营销总监 Kyle Davidson 表示。

该叶轮可立即投入使用，使制造单元在故障发生后的第二天就恢复运行；此外，该叶轮可一直按照预期稳定运行，直到大约 6 周后该团队利用供应商的部件将其更换掉为止。

在 Productive Plastics，一个制造单元的生产周期介于 5 到 15 分钟之间，因此一个工作单元每天的最低产量为 40 个部件。机器停机 6 周将造成超过 1200 个部件和 3 万美元的损失（平均单件成本为 25 美元）。

AMRC（美国先进制造研究中心）复合材料中心的研究人员正在探索如何利用取放机器人高精度、快速地自动移动碳纤维层。但在长时间使用后，固定机器人压缩空气抓手的 L 型支架开始在关节周围弯曲变形，导致故障频发。利用 3D 打印技术，研究人员快速开发出一种新的解决方案，即一种采用传统工艺无法制造的复杂结构定制弹性组件。

“我已完成六组抓手共计五轮设计迭代，若采用机械加工可能需要 10 - 15 周的时间，这还不包括任何试验环节。”参与该项目的复合材料技术专家 Matthew Williams 表示。

工程服务提供商 STS Technical Group 同样利用 SLA 3D 打印技术，以性能更优的 3D 打印抓手取代普通机器人抓手。该团队专门开发了定制抓手，用于在制造环境中移动和定位喷油器。

他们将钢制加工抓手更换为 3D 打印聚合物抓手，从而降低了较软部件表面的损坏风险。此外，他们从常规 V 型转向使用适合喷油器的几何结构，通过改进抓握接触提高了精度和可靠性，并降低了此过程中所需的压力。

机械加工厂 A&M Tool and Design 已规模化应用 3D 打印技术制造固定装置及多种成品部件等功能性部件。例如，在其大型镜片抛光机所用的星形联轴器于重要展会前两天送达却尺寸不符时，机械工程师 Ryan Little 迅速设计并用 SLA 3D 打印机 3D 打印出尺寸正确的替换件。该打印联轴器成功驱动了磨削设备上功率达两马力的马达。

通常是合法的，但要视具体情况而定。

逆向工程一般是合法行为，制造商可使用内部设计 3D 打印备件，而不侵犯商业秘密保护法。

如果制造者计划出于商业目的 3D 打印备件，则可能需要根据相关法律承担责任，并可能负有义务根据其合同提供满足特定安全和质量要求的设计或商品。

英国政府曾针对 3D 打印备件相关的法律要求与责任开展过一项广泛研究，为该流程的合法性提供了极具价值的见解。研究考虑了美国、英国、欧盟、加拿大、日本和中国，于整个生产周期各阶段制造备件和替换件的情况及其法律要求。

内部 3D 打印替换件与备件是一种经济实惠、快捷高效的手段，可有效避免设备停机与生产力损失。

Formlabs 提供尖端的 SLA 和 SLS 3D 打印机及工业级材料，助力企业制造备件和替换件。欢迎探索我们的 3D 打印机，或联系专家讨论如何设计理想的工作流程。