无论是手机壳还是汽车音响的旋钮，日常生活中使用的几乎每一件塑料制品都会采取相同的制造方法，即工业注射成型工艺。注射成型工艺是指将塑料颗粒熔化后挤入中空模具，待其冷却硬化以形成最终形状的工艺；该工艺最初诞生于十九世纪，但在 20 世纪 50 年代中期才完成现代化改造。打开模具后，即可将最终产品取出，而同一模具可以重复使用数百或数千次。

因为具有可重复性、较低的单件成本和严格的公差，同时选择不同类型的聚合物颗粒即可获得多种机械性能，注射成型成为了目前制造塑料部件的首选方法。在模具和注射压力保持不变的条件下，注射成型可以保持严格的公差，因此很容易实现始终如一的尺寸精度。该自动化过程可以降低人工成本，并缩短完成每个周期所需的时间，从而使制造商能够以最佳的效率运行机器。唯一的大额投资就是模具或母模本身。

制造模具时通常需要采用金属减材制造工艺，但其成本颇高，通常高达四到五位数。这意味着只有将成本分摊到成百上千个部件中时，该工艺的成本效益才能有所体现。从开始设计到制得成品模具通常需要花费大约四到八周的时间。即使可以根据客户或制造部门的反馈对设计进行优化，但一旦模具制成，制造商就将无法对设计进行任何更改，并且只能制造成千上万个完全相同的部件。

近年来，一些制造商已经开始尝试利用快速模具制作来消除原型和成品部件之间的差距，并使注射成型成为了小批量制作部件的可行之选。人们纷纷采用 3D 打印或铝制模具等全新的快速模具制作方法，作为传统模具制造或小批量生产的临时性选择。此外，3D 打印技术也被更多地应用于补充或替代注射成型技术。

在过去，3D 打印技术应归属于原型制造和设计领域，且并未被用作制造成品塑料部件的解决方案。但在 3D 打印材料和技术不断进步的情况下，如今 3D 打印部件可以达到的光学和机械性能往往能够与注射成型的标准相匹配。随着最近选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印工艺取得了突破，制造商纷纷将这项技术纳入到制造流程当中，并将其用作注射成型技术的补充方案。

即使该项技术已经取得了突破，但除了规模最大、资本最雄厚的制造商之外，其他所有企业都无法获得可以媲美塑料注射成型的 SLS 技术。该技术通常需要达到六位数的中等投资规模、巨大的占地面积以及严格的设施要求等标准。直到 Formlabs 发布了立式 SLS 打印机 Fuse 1 及其随附的后处理机器 Fuse Sift 后，各个规模的制造商才得以使用具有工业质量的 3D 打印技术。现在，随着升级版 Fuse 1+ 30W 打印机以及易于使用的介质喷砂装置 Fuse Blast 加入生态圈，各个规模的制造厂商都可以实现经济实惠的制造模式。

SLS 3D 打印技术可使用高功率激光来烧结不同的塑料颗粒，并通过一次烧结一个薄层来形成一个熔合的整体。SLS 技术可用于制造具有高机械强度的最终部件，这使其成为了一种有效的成品部件制造方法。Fuse 系列粉末床具有自支撑特性，因此可以轻松用于打印复杂的几何形状，并且可以在部件上设计出传统成型工艺难以实现的特征。

由于无需提前制作昂贵的母模工具，Fuse 系列打印机能够有效降低小批量部件的打印成本。尽管这种材料的单件成本要高于注射成型技术的成本，但对于经常更改产品设计或一次仅需生产少量部件的制造商而言，Fuse 系列现在往往是最具可行性的选择。此外，进行大批量生产的制造商还可享受批量粉末折扣，因此通过 Fuse 系列生产数万部件比传统金属模具更经济实惠。

随着产量提升至真正的大规模生产，尽管注射成型仍然是适用的解决方案，但 SLS 3D 打印具有更高的效率，这使其应用范围和产量在过去几年中得到了显著增长；与传统工具相比，SLS 3D 打印能够帮助制造商节省下更多的时间和成本。

本白皮书展示了多个实际用例的成本动态变化情况，并提供了 SLS 3D 打印、注射成型或两者结合的使用指南。如果您希望获取针对您自身产品的 SLS 3D 打印与注射成型成本对比分析，请联系我们的 SLS 专家。

尽管 3D 打印作为一种原型制造解决方案已在制造商的“工具箱”中享有着稳固的地位，但其在成品部件生产领域的应用仍呈上升趋势。各行各业的创新者都在寻找合适的方法，以便在各种应用中充分发挥出 SLS 3D 打印技术的能力、实用性和敏捷性。而接下来我们将了解到一些制造商如何利用该项技术为自家的传统工艺提供补充。

尽管目前绝大多数消费品均为批量生产，但有些产品仍然是小批量生产，且生产周期较短。当面临不确定的市场需求或仅有少量客户群体时，小批量生产部件能够有效降低过度生产的风险，并避免在企业尚未形成稳定收入流时过度投入模具成本。

ZapWizard 是一家由单人运营的制造商，专为 Leatherman 产品制造配件，比如为其先进的多功能工具定制刀套。拥有 Fuse 系列生态圈仅七个月后，ZapWizard 的创始人 Joshua Driggs 就完成了 3600 件成品的设计、制造和交付。相比于注射成型，ZapWizard 通过 Fuse 系列进行 3D 打印成品部件实现了以下优势：

• 在改装后的住宅车库中管理从设计到制造的整个操作过程
• 每天仅需投入三小时处理业务
• 无需依赖外部供应商或更换昂贵模具即可交付定制产品
• 无需购买大量基础设施或设备即可启动和运行单人制造业务
• 避免拘泥于单一设计，灵活应对客户需求的变化

在将 Fuse 系列引入公司内部之前，Driggs 曾评估过其他制造方案，如海外注射成型合同制造，但这种方式会限制他对产品设计进行修改的能力。ZapWizard 的成功很大程度上归功于其丰富的产品种类，以及实时调整设计的能力，而只有通过 SLS 3D 打印技术才能实现成本效益。他目前已推出超过 300 多种 Leatherman 刀套的型号和样式，对于提出特殊要求的客户，他经常设计出独一无二的产品。“为了确定最终的刀套设计方案，我可能会反复调整 15 次，哪怕每次只改变 0.1 或 0.2mm。正是因为我拥有 SLS 3D 打印技术，才能反应如此之快，并主动优化设计。”Driggs 说道。 

定制化在消费品行业和医疗保健行业呈现出日渐盛行的趋势。如果我们可以为客户提供量身定制的产品，那么购买产品的客户将更有可能投入更多的资金。常见的例子包括滑板和滑雪运动员所使用的雪镜、日常口腔修复手术中使用的手术导板，以及可以完美匹配用户耳部的定制型耳机等等。

如果能够专门针对用户的特有需求来设计器械，则产品的性能和患者的治疗结果都能够得到改善。这一理念在修复体行业中体现得淋漓尽致。每个器械和部件都必须和患者本人一样独特。为确保产品舒适贴合，以便其有助于纠正体重、姿势或损伤所导致的不平衡状况，我们必须根据患者解剖结构的扫描或印模结果来定制修复体和矫形器。 

在 Custom Precision Technology (C.P.T) 公司，首席执行官 Marco Garano 开发了一套用于 SLS 3D 打印义肢的全新工作流程，旨在为需要义肢的客户提供无与伦比的性能、舒适度和功能性。NOVA Foot 由前脚掌、中脚掌、脚跟和脚踝等多个部分组成。每一部分都可以根据患者的具体需求进行个性化定制。这些可高度定制的部分均在 Fuse 1+ 30W 打印机上完成打印。同样通过 Fuse 1+ 30W 打印的鞋头和鞋跟处附加鞋底完全防水，可在淋浴等潮湿环境中提供良好的抓地力与稳定性。

若采用注射成型制造所有 NOVA Foot 部件，仅模具成本估计每个尺码就需 5 万至 6 万欧元，且至少需要六个尺码。这样一来，仅六种尺寸的模具就至少需要 30 万欧元，昂贵得令人望而却步。而内部 3D 打印不仅具备供应链复原性、降低风险，还能为原型制造和生产提供快速周转时间。此外，SLS 打印过程中的粉末刷新率可有效减少材料浪费。目前，Fuse 1+ 30W 打印一个 NOVA Foot 需要大约 5 个小时，一次构建最多可同时打印 4 个义肢。

“我们选择 3D 打印来生产 NOVA Foot 部件，是因为我们可以完全控制生产过程。更重要的是，如果需要根据患者需求调整部件，我们无需承担修改模具的高昂成本。”Protosystem（C.P.T. 旗下负责生产 NOVA Foot 的公司）的市场营销经理 Valentina Garano 如是解释道。

临时制造或过渡制造是指在公司搁置其预定或最终生产方法期间，用于制造部件的一种过渡或短期策略。采取这一策略的原因可能是供应链中断、客户订单发生变化或资金准备不足等。随着 3D 打印技术越来越善于制造功能齐全、美观大方的成品部件，其作为权宜之计的适用性正成为各大制造商的关注焦点。

由于注射成型模具通常需要大量的前期投资，且需对部件几何结构、材料选择和生产计划作出长期承诺，许多制造商开始在最终产品中采用 3D 打印部件，同时推迟对可能需要更多设计修改、需求不确定或供应链存在风险的部件进行模具投入。

国际汽车零部件制造商和供应商 Brose 在接到宝马、大众或奔驰等客户的订单时，如果其组件需要投入更多时间才能进行注射成型，就会依靠 3D 打印来进行成品部件的临时制造。当 OEM 需要部件或对现有部件进行改动时，如果该部件无法以足够快的速度进行工具化和批量生产，Brose 的增材制造部门就会对其进行 3D 打印适用性评估。

以宝马 X7 的座椅组件为例，Brose 团队并未等待新的注射成型模具加工完成，而是使用 Fuse 1+ 30W SLS 3D 打印机和 Nylon 12 GF Powder 3D 打印了超过 25 万个座椅夹。“我们决定在此与 Formlabs 联手合作。之所以这样做，是因为材料的供应情况和打印的一致性得到了极大改善，这项技术如今已准备好在汽车行业发挥实际作用……我们已经证明，可以像在目前的宝马 X7 上那样实现部件的制造。”Brose 北美座椅原型制造部经理 Matthias Schulz 表示。

在创办公司或发布新产品时，需求、供应、管理成本和价格等可变因素尚未确定。决定这些因素的过程
让许多创业者望而却步。在未能准确估计需求的情况下，他们无法承担投资购买生产工具所带来的风险；而直到现在，注射成型都是制造可供现场使用的耐用性塑料部件的唯一方法。模具设计、制造和离岸航运所花费的时间都可能影响到这些初创制造商获取重要客户反馈的能力。如果无法与客户进行接触，产品的性能就无法得到改进，或是由于资金问题没有得到解决，产品会在开发阶段停滞不前，导致企业根本无法将其送到真正的用户手中。

针对这些初创企业、创业者和创新者，SLS 3D 打印技术可以为其提供一种无需模具成本即可生产成品部件的方法。采用 SLS 技术生产的同时，他们可以争取投资者，收集市场数据，改进和迭代产品，并逐步积累客户群体。

工程师兼 YouTube 热门频道 Exploring the Simulation 的创始人 Ken Pillonel，就借助 SLS 技术将大众普遍存在的痛点转化为一款畅销新品：AirPods 耳机保护套，不仅可以保护耳机，还能通过 USB-C 接口而非旧式 Lightning 接口充电。多年来，消费产品的被迫淘汰和用户维修困难的问题一直令 Pillonel 感到困扰，而当 Fuse 系列生态圈这样一个易于上手的解决方案出现时，Pillonel 意识到，自己完全可以在不背负沉重债务、也不过早通过注射成型锁定设计的情况下，顺利启动一个真正的商业项目。

“Fuse 系列打印机目前仍然是市场上最经济实惠的选择。在我看来，它的价格只相当于几个模具的费用。如果我要外包制作几个模具，所需的花费和我自己购置这套设备的价格是一样的。但将 SLS 技术引入内部生产，我就能实现长期自主生产，还能不断尝试全新的设计。即便当前这款产品市场反响不佳，我也能迅速转向下一个创意，有机会在未来实现投资回报。”Pillonel 说道。

售后市场制造商负责制造成品产品，并将其用作原始设备制造商 (OEM) 现有产品的附加组件。他们的商业模式决定了他们必须提前掌握生产活动发生变化的时机，以便调整自己的产品并确保对原始产品的持续支持。一旦 OEM 发布更新内容或终止原有的产品线，则他们可能会因此遭受巨大的损失。这些情况将给售后市场制造商留下无法继续制造可用产品的模具，而且往往会留下大量的成型部件库存，而这些部件注定要被丢弃掉。

Terra X 制造货车和越野车的配件。最初几款产品的成功引起了汽车制造商 OEM 之一 Ram 公司的注意，如今虽已成为 Ram 正式经销商，他们仍需持续更新产品线以适应 Ram 新款车型及其他 OEM 的规格变化。

借助 SLS 3D 打印技术，他们有机会在公司内部完成从概念到成品制造的整个过程。这种垂直整合意味着只要 OEM 发布车型更新或新车上市，Terra X 就能在短短几天内完成设计变更并准备好新产品，确保客户始终能获得所需的产品。

在 OEM 停止生产特定的产品或型号时，他们必须继续储备数千个部件，以便为拥有旧产品并需要更换或维修的客户提供服务。如果 OEM 无法制造和储备足够多的备件，那么仍在使用停产型号的大量客户所遇到的问题就将无法得到解决。OEM 很难准确计算出需要储备的部件数量，如果高估了该数值，则他们就会面临浪费和储存的问题，而如果低估了该数值，则客户的满意度就会受到很大的影响。随着产品生命周期的缩短和客户对新型号需求的增加，关于如何制造出足够的备件以及在哪里储存这些备件的问题正变得越来越重要。

尽管制造商可通过曾用于制造这些产品的传统型模具或工具来制造备件，但备件的生产量仍然难以准确预测。一旦高估了客户对备件或替换部件的需求，则可能会导致浪费和储存空间不足。而如果 OEM 低估了这一需求，则维修人员可能会没有备件可用，而客户手中的产品将无法得到修复。由于模具已被处理掉，或制造工艺已经淘汰，制造商将无法通过制造出更多的产品来完美响应市场需求。

在伊顿奥利安工厂，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。面对如此大的产量，设备和模具经常需要更换部件，但如果等待机械师制作新部件或从 OEM 订购，可能会导致生产线停工数日。为此，伊顿公司通过大批量生产制作辅助工具与模具来保障产线持续运转。

在装配线的一个涂装步骤中，用于清洁旋转金属遮蔽环的油漆刮刀磨损极快。有了 3D 打印的替换件，团队可以立即更换磨损的刮刀，确保装配线持续运行，不会对生产造成任何中断。“由于我们生产的产品数量巨大，这些工装夹具很容易磨损。这正是生产耗材成为关键影响因素的原因。”伊顿公司（奥利安工厂）高级制造工程师 TJ Zurell 表示。

在制造设计复杂的产品时，注射成型技术在模具设计环节中会面临一些难题。母模的几何形状必须便于熔化的颗粒顺畅地流过，且必须能够在需要脱模时顺利地分开，因此母模的形状可能会受到相应的限制。

SLS 打印机的粉末床具备自支撑特性，因此无需添加支撑结构即可构建复杂几何形状。诸如有机形状（通常是拓扑优化部件或衍生式设计部件）、悬垂结构、内部通道等特殊设计，唯有通过 SLS 3D 打印机才能实现。

对于 Airion 公司而言，其先进飞行中排尿缓解通用系统 (AIRUS) 只有通过 SLS 3D 打印技术才得以实现。AIRUS 系统可让女飞行员在飞行过程中解决生理需求，保障航行安全并确保她们在执行完整任务期间保持水分补给。AIRUS 的定制集液杯系统经过特别设计，可完全阻断液体回流，避免给飞行员造成不适或混乱。而实现这一功能的关键，是一个无法通过注射成型实现的内部结构设计。

在以下两个案例研究中，我们将研究制造商如何将 SLS 3D 打印技术用作传统注射成型的补充制造技术，以及何时完成两种技术的切换最为有利。

Form Wash L 是一款大型自动化清洗设备，设计用于完成生产超大部件或较大批量小部件的 SLA 工作流程。Formlabs 全球采购团队曾选择使用多种制造方法来生产 Form Wash L，并根据采购成本、备货时间和部件几何形状对某些组件的制造方法进行了调整。

针对 Form Wash L 的饱和度传感器磁铁盖，全球采购团队曾将设计文件发送至多家供应商进行注射成型报价。由于 Formlabs 常规合作制造商出现供应链问题及运输延迟，模具制作不仅成本上涨，耗时也远超往常。为了在截止日期前完成生产并满足客户需求，Form Wash L 需要快速获得库存，但通过其他供应商注射成型部件耗时过长，无法满足时间要求。

虽然饱和度感应磁铁盖的模具成本仅为 3700 美元，但从生产计划开始需要一个多月的时间才能完成，并且可能因为这一个部件推迟整个设备的交付。使用 Fuse 系列打印磁铁盖的单件成本（包括人工）仅为 2.20 美元，在打印数量少于 2000 件时，是一种较为经济的选择。由于只需要数百个生产单元就能完成积压的订单，Form Wash L 团队决定订购模具，同时使用 Fuse 系列生产部件。

Form Cure L 转盘齿轮可用于旋转 Form Cure L 底座中的固化平台。转盘齿轮的中心有一个倒角孔，用于紧紧固定住转盘钉并产生足够的力来旋转平台。

需要使用两片式注射模具来制造该倒角孔，而这种模具更为昂贵。注射成型合同制造商的预估成本为 10000 美元。

设计师能够通过 SLS 3D 打印转盘齿轮将设计整合到一个部件中，且单件成本仅为 3.50 美元，这意味着在通过注射成型生产近 8000 个部件时可以达到盈亏平衡点。该团队决定使用 Fuse 系列来打印该部件，从而节省下数千美元，并降低了最终产品的成本。

Haply Robotics 主要负责设计和制造机器人控制台，从而帮助外科医生做好准备，以进行挽救生命的手术。Haply Robotics 的产品可帮助医疗专业人士练习复杂的操作并接收实时的人体反馈，而这将有助于降低医疗相关失误的风险（每年导致超过 400000 人死亡）。为了制造需要极高灵敏度和精度的模具，Haply Robotics 使用了多种设计和制造工具，其中包括用于进行 SLS 3D 打印的 Fuse 1 以及传统的注射成型设备。

虽然最初 Haply Robotics 团队仅仅使用 Fuse 系列 SLS 3D 打印机进行原型制造，但他们很快意识到，在产量相对较低的情况下，使用 SLS 3D 打印某些成品组件也是明智之选。他们首先使用 Fuse 系列来生产机器人系统中的一个部件，材料和人工成本仅为 58 美元。而若采用注射成型来制造该部件，前期模具成本就需 1 万美元，之后每个部件的费用为 0.05 美元。

考虑到上述价格，直接使用 Fuse 1 打印部件是可行的，但最多只能打印 10 个单位。在向市场推出新款机器人系统的同时，对特定组件采用 SLS 3D 打印能显著降低生产成本，从而将预算分配到其他组件上。这一决策不仅加速了产品上市进程，降低了总体支出，还为他们赢得更多时间和预算用于未来迭代版本的改进，避免了因模具可能很快过时而造成的资金浪费。

此外，Haply 团队还为中批量生产找到了另一种解决方案。他们在 Fuse 系列中使用 Nylon 12 Powder 打印模具，然后将硅胶倒入其中以制成最终部件。模具制作的材料和人工成本为 178 美元，仅可用于进行 20 次硅胶注射，但浇注过程成本低廉且可快速完成。此工作流程适用于 10－200 单位之间的产量，并为团队提供了另一种选择，从而避免使用昂贵的工业注射成型。

通过计算来确定何时使用 SLS 3D 打印技术、何时使用注射成型技术以及何时将两种技术结合使用可能并不容易。运输燃料的价格、原材料的供给以及设计和工作流程的内部变化等一些外部因素可能会影响投资回报率的估定。

Formlabs 创建了一个可定制的 ROI 计算器，以消除此过程中的一些不确定性。您只需选择基准 SLS 部件并输入具体的劳动时间和成本，即可得到各项生产成本数值。通过将这些数值与注射成型模具制作的估计数值进行比较，您即可掌握在不同的技术之间进行切换的合理时机。

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