Heidelberger Druckmaschinen AG is the leading global manufacturer of offset printing presses, operating in over 170 countries with close to 10,000 employees worldwide. The company produces a wide range of tools and automation solutions for the entire printing value chain, from some of the largest and fastest state-of-the-art printing presses to cutting and folding machines.
Around six years ago, HEIDELBERG added a new dimension to their workflows: 3D printing. Initially, they introduced the technology to optimize prototyping and product development by cutting costs and lead time. But today, the company uses 3D printed parts in series production, producing thousands of parts per year for around 15 different applications.
Read on to learn how selective laser sintering (SLS) 3D printed parts empower lightweight robotics applications and can even replace steel parts in folding machines.
3D 打印压力测试部件的最终用途应用
本白皮书介绍了 Formlabs 3D 打印硬件和材料解决方案，用于满足成品部件生产需求。其中记录了多名用户的案例研究，并包括压力测试结果，以验证 3D 打印材料对最终应用的适用性。
加快产品开发
Joachim Krumma 表示：“海德堡公司向我们提出了新品开发相关的项目，尤其是涉及了开发超出传统生产范围的组件和装配件。”
在海德堡公司从事了 15 年的产品和应用开发工作后，Krumma 现在经营着一家增材制造技术咨询公司 CTS-3 GmbH。他们与海德堡的研发团队密切合作，为产品开发以及将新应用转化为批量生产提供支持。
因为海德堡的产品可以直接在现场进行测试，并根据最终客户的实时反馈进行改进，其中一些开发工作在现场进行。
Meinders & Elstermann 是德国贝尔姆一家大型胶印公司。
海德堡的新产品在其工厂进行测试和进一步开发。
“Meinders & Elstermann 是德国贝尔姆一家大型胶印公司。每年印刷约 1 亿至 1.2 亿张纸张。我们的印刷车间有四台海德堡印刷机，印后加工部门有七台折叠机。海德堡希望最终上市的机器都经过我们的测试，并在我们的工厂进行持续开发，”Meinders & Elstermann GmbH & Co. KG 加工部主管 Klaus Harig 说道。
3D 打印部件的应用范围非常广泛：用于拾放机器人的轻质部件、折叠机的新组件以及原钢制机器组件的替换件。该团队使用 Fuse 系列 SLS 3D 打印机和 Nylon 12 Powder 生产刚性部件，或使用 TPU 90A Powder 生产柔性部件。
海德堡公司在种类繁多的应用中使用 3D 打印部件，包括机器人的轻质部件和原钢制机器组件的替换件。
“对我们来说，最重要的一点是 3D 打印的速度。我们能够迅速响应不断变化的客户需求。可以在一两天内开发并生产出新部件，而在过去有时我们需要花费数周时间。这就是 3D 打印完美契合我们需求的原因。”
Joachim Krumma，CTS-3 GmbH 管理层
除了缩短周转时间，成本节约也十分可观。这一点在原型制造领域尤为明显，但在定制和小批量成品部件的批量生产中也是如此。Krumma 说：“与正常生产相比，部件制造成本通常会降低 10 倍或 20 倍。”
机器人的轻质部件
P-Stacker 是配备最多 3D 打印组件的机器，这是一种最先进的拾放机器人系统，可以从折叠机中取出成捆的折叠纸张，并将其放置在托盘上。
P-Stacker 承担着在折叠机后方堆叠签名包的艰巨任务，减少了操作人员的工作量。
“机器人可以将托盘堆叠到一米高。根据运行速度，它每小时最多可放置 1.8 万张纸张。在我们开始使用 P-Stacker 之前，一名人员每天要将四到六吨的包裹搬运到托盘上，”Harig 说。
该机器人中的许多 3D 打印部件都非常复杂，同时执行不同的功能，例如发挥轴移动、轴夹紧、气动抽吸、传感器技术和滑动特性作用的万向节和支架。
“重量起着至关重要的作用，尤其是在机器人应用中。重量越大，部件承受的机械应力就越大，从而影响部件的疲劳强度。我们系统中的组件密度相当高，这意味着我们几乎没有空间留给大型装配件和部件，”Krumma 说道。
塑料 3D 打印部件比钢制部件更轻，而且可以根据其承受的应力和力进一步优化设计。不同于机械加工等传统制造工具，设计复杂度的提高不会导致成本增加。
这通常会产生非常复杂的无定形结构，因为这些结构是根据其所承受的应力和力专门为应用而开发，而且由于可连续使用，应力和力可能会非常大。3D 打印部件还经常与其他组件结合使用，如具有抗摩擦特性的金属轴承或铁氟龙涂层组件。
机器人中的许多 3D 打印部件非常复杂，并且执行不同的功能。坚固耐用的组件由 Nylon 12 Powder 制成。
重量在机器人技术中起着至关重要的作用，因为它会增加部件所承受的机械应力。
许多复杂形状并不具有成本效益，甚至无法用机械加工等传统工具来制造。有些部件将由不同的装配件和组件组成，而且都必须经过费力的组装、对齐和返工。这些部件会更重，部件密度也会更高。
“如果使用传统方法制造各种部件，那么与 3D 打印相比，所需的工作量将十分巨大。因为可以开发和打印一些无定形几何形状，SLS 打印使我们能够复制相当复杂的形状，简化组件和装配件。这非常适合我们。”
Joachim Krumma，CTS-3 GmbH 管理层
有些部件不太复杂，但仍然需要高精度或精细度。这些部件包括用于防止污染、遮挡尖锐边缘、保护传感器或防止磨损的柔性部件。
使用 TPU 90A Powder 打印的柔性部件，用于保护传感器和其他臂端工具。
柔性部件是理想的卡扣组件。通过遮挡尖锐边缘，它们也能保护操作人员。
“最近，我们在机器人上安装了一个 3D 打印部件，用于防止电缆断裂，从而自然而然地延长了机器人的使用寿命。如此一来，我们就能确保每天都不会因为停机而被迫更换电缆线束，”Harig 说道。
使用 Fuse 系列 SLS 3D 打印机生产的这种柔性电缆导向器不仅实现了复杂的设计，还为保护电缆免受磨损提供了长期耐用的解决方案。
可替代钢材的替换件
避免和减少机器停机时间对于印刷业务来说至关重要－任何延误都可能导致无法交货，并使印刷材料过期。海德堡拥有广泛的服务网络，可以在 24 小时内将 95% 的替换件运送到全球任何目的地，但该团队很想测试按需 3D 打印替换件能否为停产部件提供解决方案。
在 Meinders & Elstermann 公司的一台老式折叠机上，Krumma 安装了 3D 打印部件，以替换原来由钢材加工而成的各种部件，例如固定重达 13kg 的金属滚轴的接头。这些部件位于机器的引擎盖下，暴露在过于肮脏和油腻的环境中。在长时间使用过程中，例如在紧急制动时，整个机器会在瞬间停止运转，这些部件会承受巨大的机械和物理压力。
3D 打印替换件由轴承和抗摩擦金属组件组装而成。
这些接头用于固定高速旋转的金属滚轴，每个滚轴重达 13kg。
“它们必须持续承受压力与极高的负荷，即每周五天两班倒。目前，这些部件已经安装在机器上并使用了两年半以上。这并不在最初开发阶段的计划内。不过，我们对这些部件进行了持续观察，很早就发现它们可以承受持续负荷。”
Joachim Krumma，CTS-3 GmbH 管理层
“我不得不说，这些部件显然非常耐用。我也难以相信，但我们的折叠机确实还没有更换过任何部件，”Harig 补充道。
一些 3D 打印替换件已经在折叠机上安装了两年半，每周五天两班制运转，并暴露在过度肮脏和油腻的环境中。
帮助印刷业保持竞争力
“许多客户选择在线阅读而非印刷产品。因此，我们过去拥有的许多订单已不复存在。印刷周期越来越短，必须更快交货。而应对这种情况的唯一办法就是使用新机器。未来的印刷厂会越来越少。留存的印刷厂必须确保为未来做好充分准备，”Harig 说。
利用 3D 打印机并与 Krumma 和 CTS-3 等专业企业合作，海德堡公司能够加快产品开发速度，从而使其最终客户在瞬息万变的市场中保持竞争力。
“如果我们没有这项技术，特别是使用 Fuse 系列的 SLS 3D 打印技术，那么开发过程将会非常漫长。这些机器使我们能够很快完成非常大的开发流程。我们可以测试、否定或进一步挖掘想法，并在一夜之间生产出部件，第二天在客户处进行测试。如果没有这种方法，开发过程几乎与传统制造过程无异。”
Joachim Krumma，CTS-3 GmbH 管理层
“3D 打印技术每年都有巨大的飞跃。显而易见，原地踏步就会落后。与传统生产相比，通过 3D 打印工艺，我们绝对能很快获得投资回报。能目睹即将发生的和将要发生的一切，我们感到非常兴奋。并对此充满期待，”Krumma 说道。
