采访

伊顿公司借助选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印技术实现单件流制造流程优化

26 Aug 2025

Manufacturing

采访

引入形朗 (Formlabs) Fuse 系列仅一年，伊顿公司位于纽约州奥利安的制造工厂便大幅降低了运营成本，替换了原先 90% 由 Delrin 加工而成的固定装置，同时提高了工厂车间的响应速度和效率。

“我们预计 Fuse 系统的投资回报周期大约为 9 个月，实际上只用了 6 个月就实现了。”
TJ Zurell，伊顿奥利安工厂高级制造工程师

在制造领域，“单件流”意味着众多环节的紧密配合。在奥利安工厂，每天有 15000 个金属氧化物变阻器 (MOV) 通过单件流生产线，依次经过原材料压缩、喷漆、平面磨削、焊接、测试和组装等复杂工序，最终形成用于保护电线杆和变电站的成品避雷器。

面对如此密集的设备、机器人和移动部件，奥利安团队需要持续供应各类生产耗材与制作辅助工具，从夹具、固定装置和臂端工具 (EOAT) 到自动化辅助工具、替换件不等。这些部件虽不可或缺，但传统制造方式存在交付周期过长、加工成本高昂、或设计笨重难以操作等痛点。

我们采访了奥利安工厂的高级制造工程师 TJ Zurell 及伊顿增材制造卓越中心 (AMCoE) 团队，共同探讨制造商如何通过 SLS 3D 打印技术降低成本、提高效率、激发创新思维与内部认同感，并增强供应链韧性。

工业 4.0 的“中心辐射”模式布局

伊顿在全球拥有超过 209 个制造基地，遍布 35 个国家，员工总数近 93000 人，新技术、新工艺和新产品层出不穷。在实施工业 4.0 战略 — 即制造业和各领域持续数字化转型的过程中，伊顿利用 3D 打印技术破解装配线日常难题，实现改善工人安全，提高生产效率，降低成本等多重目标。

AMCoE 成立于 2016 年，最初是伊顿公司航空航天部门的一个 3D 打印专项研究项目，如今已发展成为 3D 打印知识中心与资源库，为伊顿全球 209 个制造基地提供支持。“增材制造卓越中心的核心使命之一，就是协助解决各制造工厂遇到的实际问题。”AMCoE 增材制造应用经理 Kathleen Chou 表示。

AMCoE 面临着一项复杂挑战 — 需要为产品类型千差万别的 209 个制造基地提供技术支持。像伊顿奥利安这样生产避雷器的工厂，其工作流程与航空航天工厂截然不同。

AMCoE 必须深入了解各工厂的运作模式，才能为其推荐适用的增材制造解决方案。这是一条双向的道路，经常会有工厂提出 3D 打印解决方案，AMCoE 会将其推广给具有相似工作流程或设备配置的其他工厂。

伊顿工业 4.0 全球增材制造战略经理 Cameron Peahl 领导着一个由公司各部门领导组成的全球监管委员会，致力于确保所有伊顿生产基地都能获取顶尖技术及最新行业知识。“伊顿为增材制造提供了绝佳的发展平台，我们不仅拥有多元化的制造布局，更具备丰富多样的产品组合......这既带来了巨大机遇，也意味着我们需要攻克众多领域，必须保持高度专注。”Peahl 表示。

这些金属氧化物变阻器 (MOV) 仅由美国的三家工厂制造，伊顿奥利安工厂便是其中之一。该厂每天生产 15000 个 MOV，制造效率、生产率和产量成为至关重要的指标。

经过压制、喷漆、磨削、测试、后处理和组装后，MOV 将作为避雷器保护公共电力设施，从家门口的电线杆到管理全球航空交通的机场，处处可见它们的身影。

3D 打印行业日新月异 — 新材料、新打印机和新应用似乎每天都在涌现。为此，伊顿成立了全球指导委员会，对各类技术进行评估与整合，减轻各工厂的负担，使其能够专注于自身独特的工作流程。“我们制定了一套适用于所有制造模式的标准，各基地可以根据需求选择并投资相应技术。”Peahl 表示。

为遵循全球指导委员会制定的标准，AMCoE 会对新技术进行严格评估，判断其是否适合伊顿的不同基地。“我们通常需要六到九个月的时间完成对一套系统的全面审核，重点考察其易用性、可靠性和可重复性。”Peahl 表示。

轻松集成：Formlabs 入驻 AMCoE

伊顿一名女性员工从 Fuse 打印机中取出成型室，准备将其插入 Fuse Sift 中

进驻 AMCoE 的 Fuse 1+ 30W 和 Fuse Sift — 该套设备因其操作便捷、紧凑小巧，不仅顺利融入本就拥挤的工作间，更让所有技术人员都能快速上手。

这些头盔夹具是一名必须佩戴电压警示监测器的工厂员工，对现有可穿戴设备深感不便而提出的真实需求，最终通过自定义 SLS 3D 打印的硬质安全帽夹具得以解决。新夹具既不妨碍视野，同时还能确保安全防护。

对制造基地而言，任何设备调试时间都意味着生产时间的损失。面对国内制造商日益增长的生产效率压力，3D 打印机必须达到极致的可靠性与操作简便性。“我们需要的是可以依赖并充分利用的工业级设备......我们没有时间等待服务电话，也没时间反复调试设置。设备必须能随时按需打印......机器闲置的每一天对我们来说都是金钱和机会的损失。”Peahl 表示。

SLA 技术与 Form 4 带来的跨越式升级

2021 年，AMCoE 团队对多台立体光固化 (SLA) 设备进行了评估，但始终未能找到同时满足易用性、可靠性和可重复性三大核心要求的设备。

“我们大约在那个时间引入了 Formlabs，当即便发现了它在易用性方面的不同之处。”Peahl 表示。基于 Form 3 代产品建立标准化 Formlabs SLA 工作流程后，伊顿团队于 2024 年全面升级到 Form 4 和 Form 4L。

“升级到 Form 4 后，技术水平真正实现了跃升。原本在质量和尺寸精度方面已令人惊艳的工艺，如今的速度更是快如闪电。现在我们真正实现了易用性、效率、精度与可靠性的完美融合。”
全球工业 4.0 增材制造战略经理 Cameron Peahl

Form 4L 的可靠性和大尺寸打印能力，使其成为 AMCoE 日常运营中不可或缺的工具。“能够真正打印出大尺寸的部件对我们来说真的很重要，此外，我们还会处理较少数量的部件..... 凭借 Form 4L 的速度和尺寸，我们能以更快地速度完成加工与流转。”Chou 表示。

伊顿增材制造卓越中心 (AMCoE) 作为伊顿众多制造工厂的知识枢纽和资源中心，持续提供测试部件、设备评估及新技术集成方案等全方位支持。

经过多年对 Formlabs SLA 打印机的验证，Form 4 和 Form 4L 已成为伊顿向各个制造工厂首选推荐的两款机型，以满足在生产和装配线上使用高精度部件的需求。如果某个基地需要注射成型塑料部件的特定替换件，AMCoE 仅需耗费数美元、不到一周时间即可完成打印并发货。对于大型制造设备系统的替换件，以往除了等待原始设备制造商 (OEM) 耗时数月定制注射成型部件外别无他法，而 3D 打印为这类单一需求提供了快速且经济的解决方案。

“如果有工厂提出需要亚微米级的精度、卓越的表面光洁度、高重复性的夹具或工具，我立即会意识到‘这跟很可能正是 SLA 技术的用武之地’。”Peahl 表示。

材料多样性也是 AMCoE 推荐 Formlabs SLA 打印机的重要原因之一 — 工厂经常要在不同温度和不同环境下处理冷却剂、绝缘体、涂层溶液等各类化学物质。当生产基地每日面临新挑战时，能够在同一系统中访问多个系列材料显得尤为珍贵。

“SLA 可以在硬度、强度、刚度和耐高温性方面提供独特的材料性能......此外我们特别青睐Formlabs Color Resin。“如果我们需要自定义配色或特定颜色，它能够以真实色彩进行原型制造，这是其他系统难以实现的。”Peahl 表示。

案例研究：SLA 防护盖部件

这款防护盖部件由 AMCoE 采用 Form 4L 搭配 Tough 2000 Resin 打印而成，专为工厂研发的耐湿热组装件所设计。

伊顿公司的一个产品设计团队近期向 AMCoE 的 Chou 提出需求，需要一款用于功能测试的组装防护盖组件。如果要从其他供应商采购该部件，可能需要数周甚至数月的时间；该部件要求高耐湿性、尺寸精度和耐用性，且尺寸过大无法通过 FDM 打印机打印。Chou 最终决定采用 Tough 2000 Resin 在 Form 4L 上完成设计定稿与打印，打造出坚固、防水且交付迅速的部件。“我们需要的是一种既能防水，并能可靠保护整个装配件的防护系统。这款防护盖部件完美展现了 Form 4L 的实际成型尺寸与特殊材料性能的结合优势。”Chou 表示。

伊顿工厂车间的 Fuse 打印机

Fuse Blast 让按需制作辅助工具变得更加简单 — Fuse Sift 的操作时间减少 80%，Zurell 和其他工程师可以把更多精力投入工艺评估，发掘 3D 打印部件优化工作流程的潜力。

该测试用杯状结构表面刻有精细的 MOV 规尺寸与模型部件编号。Fuse Blast 可以完全清除，全程无需人工干预。

伊顿 AMCOE 在审核 Formlabs Fuse 系统之前，已拥有多年选择性激光烧结 (SLS) 技术应用经验。SLS 技术具备诸多优势 — 可实现无支撑打印，清理部件效率高，良好的几何公差精度，还拥有尼龙等工程级材料。“这对于我们尝试进行原型制造以及需要超高刚度的工具制造来说是一个巨大的优势。”Chou 表示。

AMCoE 原有的 SLS 打印机是大型工业级粉末床熔融设备，价格接近 50 万美元，工作流程复杂，需要专门的操作人员和大量的技术支持。这些设备仅由 AMCoE 受过专业培训的员工操作，用于完成各类定制需求，并非那种可直接推荐给制造工厂的“免调试”型可靠易用设备。“这类设备的痛点在于体积庞大、操作繁琐且成本过高。”Peahl 表示。

AMCoE 亟需一种既能保持 SLS 工程材料特性和无支撑打印优势，又具备现场制造环境所需的易用性与可靠性的设备。2022 年，他们引入了 Fuse 打印机，对其进行全方位验证。

“Fuse 的吸引力在于其亲民的价格定位。成型体积完美匹配工厂常规需求，配合紧凑的占地面积和优惠的成本考量，多数工厂都能轻松配置。而其生态圈带来的可用性革新，堪称 SLS 领域的跨越式突破。”
全球工业 4.0 增材制造战略经理 Cameron Peahl

SLS 技术在制造中的优势：工厂复原性

这些安装臂端工具上的主轴环，用于在喷漆过程中固定 MOV。为适配不同尺寸的 MOV，需提供多种规格并能快速更换。

该部件原先采用 Delrin 材料机加工制成（左侧白色部件）加工，现改用 Nylon 12 Powder 打印（右侧灰色部件），不仅打印速度更快，成本更低，还新增了部件编号和识别标记等功能。

全面评估 Fuse 系列生态圈 — Fuse 1+ 30W、Fuse Sift 和 Fuse Blast 之后，AMCoE 开始将其推荐为工厂车间快速、经济、复杂制作辅助工具的解决方案。“我认为增材制造在工业环境中的真正优势在于速度。速度、复原性和创造力。”Peahl 表示。

对工业制造商而言，设备停机关乎生死。当 50 台不同的重型机械组成的复杂配置在单件流生产线上协同作业时，任何故障、部件损坏或微小延误都可能会对产量造成严重的连锁反应。“如果车间突发故障，等待集成商现场维修或外发部件到机械工厂可能导致 8-12 周的停产，这对工厂来说几乎是致命打击。”Peahl 表示。

寻找降低停机时间的新型高效方法是工厂车间人员的职责。掌握 SLS 3D 打印按需制造技术后，员工开始积极尝试新方案，提出变通办法，并主动指出日常工作中的低效之处。随着奥利安工厂全面普及 Fuse 系列设备，创新理念正持续转化为切实落地的高效流程。

“我们的工程师从此更具创造力。几小时内就能完成新型固定装置、辅助工具与夹持装置的测试。我们的工程师可以真正跳出舒适区不断创新，推动工厂持续优化升级。”
全球工业 4.0 增材制造战略经理 Cameron Peahl

案例研究：奥利安工厂的 SLS 生产耗材

奥利安工厂目前通过 Fuse 系列打印机量产数千个部件，但该工程团队最初接触 3D 打印可追溯至早年的桌面级 FDM 打印机。“我们是家用业余爱好者，接触过小型打印机。至今仍常用 FDM 制作初始原型，但会优先考虑部件产量和使用频次。如果一年的使用次数超过一次，就会优先选择 SLS 工艺。”Zurell 表示。

第 1 步：冲压成型抓取过程中的弹簧柱塞

在冲压工序中，大型压缩机将原料粉末制成圆柱形 MOV，随后提取装置进入抓取部件，将其移送至传送带。弹簧柱塞可为不同尺寸的 MOV 预设提取装置高度。

该部件原先采用尼龙材料（左）经多件式组件（含螺丝固定）组装而成；现在则通过 SLS 3D 打印一体成型，并将识别符号直接雕刻在打印文件中。操作员使用新部件能够更快速便捷地切换程序。

MOV 制造流程的第一步是将原料粉末压制成圆柱形。粉末压制完成后，提取装置臂伸入其中抓取部件，将其移送至后续单件流生产线。弹簧柱塞可预设提取装置臂的工作高度。旧版部件采用尼龙材料加工而成，上面贴有打印粘贴的标签，标明其预设值。新版则采用卡扣式一体化设计，直接雕刻预设值，无需胶带。“这类部件易损耗丢失。用 3D 打印替换速度要快得多，隔日即可拿到新的部件，而不必等上一周。机加工的旧件还必须调整硬件，有点麻烦。新部件只需套入轴体旋转固定即可。”Zurell 表示。

第 2 步：玻璃环箍刮刀

在玻璃环箍工艺过程中，油漆会在此金属环（即遮蔽环）上堆积，需要对其进行清洁，以免油漆附着到部件上。遮蔽环刮刀的作用就是防止油漆堆积。

对于磨损较快的生产耗材，使用 Fuse 系列进行批量打印意味着团队可常备库存。每当库存不足时，只需将这些刮刀部件加入接近全满的 SLS 成型任务中，而无需重新向机加工车间提交请求并等待替换件。“由于我们生产的产品数量巨大，这些工装夹具很容易磨损。这正是生产耗材需要重点考虑的环节。”Zurell 表示。

第 3 步：（配电级）磨削 V 型定位块夹持器

V 型定位块用于在磨削工序中固定 MOV 元件，确保两个平面达到平行精度。该部件的主体由机加工青铜合金制成，但需要根据不同尺寸的 MOV 更换顶部较软的夹持衬垫。

传统聚氨酯铸造带钢制插件，一旦丢失或损坏很难及时补充。现采用 Fuse 系列批量打印垫片，并设计有热塑性聚氨酯 (TPU) 防护盖（黄色），便于快速更换和尺寸识别。

在磨削工序中，精度至关重要。当 V 型定位携 MOV 通过磨床时，部件夹持面必须始终保持垂直。如果出现偏差，后续就会产生公差问题，影响最终避雷器的性能。“我们确保这些侧面的平行度公差始终小于 0.08mm。“SLS 部件在这方面表现非常出色，能很好地保证垂直度与平行度。”Zurell 表示。

采用 SLS 技术前，团队使用的是机加工与二次成型聚氨酯部件的组合方案。单个聚氨酯模制垫片的价格为 45 美元。而通过 Fuse 系列打印的同类组件，每个成本仅需 4 美元。

“虽然我们用量不大，但每年大约能节省 6000 美元的成本。”
TJ Zurell，伊顿奥利安工厂高级制造工程师

第 3 步（电站级）：采用 SLS 翻转板臂的磨削工序

翻转板臂用于抓取较大尺寸的站级 MOV，使其在全程暴露于冷却化学剂的环境中完成磨削加工。为了增加抓握力，SLS 部件上嵌有 FDM 3D 打印的热塑性聚氨酯材料（霓虹黄），以长条形式打印后再按尺寸需求进行切割。

相较于原先采用 Delrin 材料机加工并在其外围缠绕橡皮筋来增加抓握力的方案，现采用 Nylon 12 Powder SLS 打印的翻转臂夹持件，兼具结构强度与耐化学冷却剂性能，完美适配该应用场景。

针对常见于变电站或机场外围的电站级避雷器所使用的大型 MOV，则需要单独的磨削设备和工艺流程。此类部件搬运不再采用带 TPU 垫片和 SLS 插件的 V 型定位块，而是使用由 SLS 技术打印并嵌入 TPU 的翻转板臂来增强抓握力。该部件以前由 Delrin 材料加工而成，并用橡皮筋包裹以增加抓握力。

第 4 步：（配电级）转运站

新型定心装置由固定不变的主基座和可互换的顶部部件组成，其中顶部件经过重新设计，在材料利用率、结构强度和打印效率方面均实现了优化。

以前 Delrin 材料加工而成的定心块（白色 Delrin 固定在实心铝基座上，左图）存在笨重臃肿、效能低下等问题，而且成本高昂，临时加急加工更是难上加难。

单件流生产过程中的不同工序要求 MOV 以不同的速度和间距移动。为实现工序间衔接，转运站必须重新调整传送带上各 MOV 的间距。一个类似于升降机的机器人装置会拾取每个 MOV，并将其移动到下条传送带，按新间距精准放置。

以往，这类重新定心装置体积庞大，对于机器人操作来说十分沉重，而且是用笨重的 Delrin 材料制成。团队初期虽采用 3D 打印进行等比例替换，但 SLS 3D 打印技术的几何自由度使其进一步设计出轻量化且易更换的装置，既节省材料，又简化了操作流程。

“最初引入 3D 打印时，我们只是直接替换机加工尼龙部件。如今则更进一步：思考如何在不局限于机加工或采用性难易度的前提下，优化原始设计。这项技术确实开启了无数可能，催生出许多更新、更精巧的设计。”
TJ Zurell，伊顿奥利安工厂高级制造工程师

第 4 步：（电站级）转运站

这些部件防护盖在机械臂将 MOV 送入金属化设备时起固定作用，可防止金属输送带划伤 MOV 表面或产生金属沉积。

该机器人臂端工具 (EOAT) 负责将 MOV 从一条传送带上取下，并在进行金属化处理时将其移送到另一条传送带上。EOAT 可能会磨损，而通过 Fuse 系列打印机批量重新打印是目前最简便、最低成本的替换方式。

SLS 部件在防止成品或机械设备磨损方面表现出色，也适用于在部件过度磨损后进行替换。在这一转运阶段，MOV 经磨削完成超声波清洗移动到金属化设备，机械臂将其从一条传送带上抬起并放置到另一条传送带上。部件防护盖可有效避免金属传送带划伤 MOV 表面或产生金属沉积，而机器人“手指”型 EOAT 部件经专门设计，可适配不同尺寸 MOV 并在磨损后快速更换。

“机器人本身通常通用性较强，与具体产品交互时会变得更加个性化，而增材制造帮助我们架起了产品与机器人之间的连接桥梁。”
TJ Zurell，伊顿奥利安工厂高级制造工程师

第 5 步：配备 AI 摄像机的金属化工作站概览

该摄像机外壳由伊顿奥利安工厂专门研发，用于保护昂贵且精密的 AI 摄像机免受过多环境光线的干扰，从而使摄像机在检测 MOV 质量时，能够更专注地对准前方目标。

借助奥利安工厂的按需 SLS 打印解决方案，团队能够快速设计防护方案、验证适配性，并在次日完成安装。中空结构的摄像机防护壳甚至可以在 Fuse 成型室排料其他小型部件，从而提高每次打印的效率。

MOV 经磨削后进入焊接工序，通过铝弧喷涂在两端平面完成镀锡。在机器人焊接室内，每个部件都要经过 AI 摄像机检查异常。团队意识到，焊接过程中的杂散或不一致的光线可能会影响摄像机的图像质量，因此定制了兼具物理防护与成像稳定性双重功能的防护外壳。

“过去缺乏检测手段，往往累积大约 70 个废品才能发现问题。如今借助摄像机检测系统，我们已经能够将废品量控制在 5 个以内，并且系统会自动停机，避免产生大量废品。“SLS 技术一路帮助我们快速实现了这一产品解决方案。”Zurell 表示。

第 6 步：颜色编码测试杯中的电气测试

在电气测试阶段，这些测试用杯状结构用于固定 MOV，测试时向部件施加瞬时电压，确保其装配成完整避雷器后的性能。

原先采用 Delrin 材料机加工的测试杯由于需求量大，且需适配不同尺寸的 MOV，而这些 MOV 可通过测试杯中的彩色 FDM TPU 小插件来进行识别。

操作简便是奥利安工厂创新的一大驱动力。旧版测试杯由 Delrin 材料加工而成，需要用遮蔽胶带或打印标签来识别正在测试的 MOV 尺寸。更换生产线后，彩色插件让质量保证工作变得轻松 — 操作人员可以立即识别出正在测试的部件或需要更换的部件。“我们设计了一套颜色编码系统，配备对照图表，可以帮助操作人员快速更换。“如您所见，绿、蓝、橙三色分别对应不同尺寸的圆盘。”Zurell 表示。

测试杯是融合 SLS 和 FDM 3D 打印技术发挥各自优势的典范。杯状结构本身需要高精度、高强度和抗冲击性能，而 FDM 彩色标识点打印速度快，操作简单，且不需要特殊的机械性能。“这些测试杯最初是用尼龙材料加工而成。我记得全套部件费用大约为 17400 美元。“所以采用现在的方案节省了大量成本。”Zurell 表示。