金属部件因其耐用性、强度、可靠性、耐磨性和耐高温性而备受青睐。金属加工是全球制造业的关键要素，在汽车、航空航天、建筑、能源和消费品等终端行业中发挥着举足轻重的作用。对精度、效率和可扩展性的需求推动了工具和技术的演变。

加工、焊接、成型和铸造是生产金属部件的常见方法。每个工艺都需要专用工具来固定金属，即使在高强度、加热或化学品接触的情况下，也能确保生产的精度、安全性和可复制性。

• 夹具有助于引导切割工具，确保切割一致、精确。
• 夹具可在加工或焊接过程中将工件牢牢固定在适当位置，防止工件移动而导致错误。

传统的模具制造方法，如 CNC 加工、铸造或手动装配，耗时且成本高昂。3D 打印技术（如立体光固化成型 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS)）为金属加工中治具、夹具和模具的制造提供了更快速、更具成本效益的替代方案。

本文将重点介绍用于金属部件焊接和加工的 3D 打印夹具和固定装置。有关其他 3D 打印工具的更多信息，请参阅相关支持文档：

• 用于组装、检查、替换部件等的夹具、固定装置和制造辅助工具
• 钣金成型用模具
• 工业熔模铸造用模型
• 注塑成型模具硅胶成型模具吹塑成型模具热成型模具

Formlabs 提供多种金属加工材料选择。但在使用案例方面，建议各不相同。

加工夹具

加工是一种减材制造工艺，使用车床和铣床等工具从工件上去除材料，以生产精密部件。夹具和固定装置可牢固地固定工件，并确保在加工过程中准确对齐。

与此类夹具相关的技术要求包括：足以承受切削力的出色刚性；可保证对齐的精确尺寸；可避免工件因机加工产热而变形的热稳定性；出色的减震性能；以及能够抵御机器内冷却剂、切削液和清洁剂侵蚀的化学特性。

Formlabs 强烈建议使用 Fuse 系列打印机和 Nylon 12 Powder 打印加工夹具，因为该材料具有耐化学性。其他优点包括：

• 高拉伸强度（50MPa）
• 最适合复杂组件和耐用部件
• Nylon 12 Powder 打印的部件吸湿性低，耐光、耐热、耐化学腐蚀和耐冷却溶剂。

焊接夹具

焊接是一种通过施加热量和压力来连接材料并形成牢固结合的制造工艺。夹具和固定装置对于准确定位工件和在焊接过程中保持对准至关重要。

这些夹具的技术要求包括高耐热性、刚性和耐用性，以便在不翘曲的情况下承受重复的工作周期。精准对齐和易于夹紧对于反复实现精确的焊接效果至关重要，而出色的安全功能和操作便利性则是保护操作员安全的关键所在。

Formlabs 建议使用 Rigid 10K Resin 在 Form 系列打印机上打印焊接夹具，因为该材料具有耐高温性。

用户可借助逆向工程实现现有工具加工设计方案的数字化，然后将其移至数字库存，或是在确定工具加工需求后设计新的工具加工文件。在设计 3D 打印的夹具或固定装置时，有几个关键设计考虑因素不同于传统的金属加工工具，从而实现了只有增材制造才能实现的独特功能：

• 利用复杂的几何形状，创建复杂的内部特征，如通道、下切和中空结构。
• 使用格子或蜂窝结构创建轻型夹具，在不牺牲强度的情况下减轻重量。
• 设计壁厚为 2－3mm。
• 将夹具、定位器和导向装置等功能集成到一个部件中，以简化设计并减少对装配组件的需求。
• 在应力点处设计半径为 1－2mm 的平滑圆角，以增强强度。
• 直接在设计中添加符合人体工程学的功能，如自定义把手或轮廓边缘。
• 设计模块化的夹具和固定装置，便于定制或更新。
• 采用单件设计简化组装。

按照 Formlabs 的模型定向最佳实践进行操作。

在 SLA 打印机上打印时，应调整部件方向，以尽量减少功能表面上的支撑，并在必要时加固壁。

遵循 Formlabs 关于清洗和后固化打印件的最佳做法。有关具体的清洗和固化说明，请参阅各个材料文档。考虑进一步的后处理，以增强强度、耐用性和用户体验，例如对 SLA 打印部件进行电镀或涂层处理，或对 SLS 打印部件进行介质喷砂处理。

• 根据原始 CAD 模型检查打印部件。使用卡尺、千分尺或其他计量设备进行验证。
• 测试固定装置的功能性性能。将部件装到固定装置中后，请仔细观察部件在定位表面和支架中的固定情况。正确设计和构成的夹具能够支持部件，并且夹紧时会防止部件移动。
• 对于加工等操作力较大的工艺，应根据进给和速度、机器功率、所选材料以及安全性计算夹紧要求。

3D 打印夹具和固定装置为解决传统金属加工的工具问题提供了一种实用的方案。该方案能够加快制造速度、降低成本并提高设计灵活性。机加工和焊接等工艺对精度和耐用性的要求极高，而通过上述方案制造出来的定制工具尤其适合此类应用。特别推荐用于：

• 小批量生产，每个夹具约 1000 个部件或每个固定装置 3000 个焊点
• 用于多部件设置或不规则几何形状的精确、耐用的定制工具
• 具有成本效益和高度灵活性的制造选项

一些局限性包括：

• SLA 打印部件随时间推移会出现磨损
• 不如金属夹具或固定装置耐用。考虑对打印部件进行涂层或密封，以延长使用寿命。

• 使用按需夹具和固定装置降低金属加工成本和交付周期白皮书
• 加工夹具指南：铣削、CNC 等工序的工件固定装置和夹具
• 金属制造的低成本快速夹具和固定装置网络研讨会