制作辅助工具也称为生产辅助工具或生产耗材，指的是一切能够支持和简化制造操作（从验证测试到生产和维护）的工具或设备。企业内部使用的制作辅助工具可以使制造和装配过程变得更加简单可靠，同时有助于缩短生产周期、保障工人安全并降低生产成本。制作辅助工具包括工件夹紧装置（如夹具、固定装置、臂端工具 (EOAT) 和导轨）、对准销、遮蔽母版等。这些都是用来简化生产工作流程和解决工厂车间常见问题的重要工具。

通常，制造商会在内部或通过外包供应商使用金属（虽然有时也会使用聚甲醛（POM，如 Delrin）或其他塑料）加工工具。加工过程中需要利用昂贵的设备和技能娴熟的劳动力进行 CAM 设置和机器操作。此外，大多数工具由多个组件组成，因而导致复杂性增加。外包需要花费数周的周转时间和高昂的成本。这会加大定制和适时生产此类工具的难度。但是，工具未必都需要用金属制造，具体要取决于部件的受力情况。

增材制造 (AM) 技术也称为 3D 打印，这是一种可在内部以低成本快速制造工具的强大解决方案。这种无模具制作工艺具有一些重要优势，如速度快、成本低、设计自由、材料选择多以及灵活等等。

您可根据需求使用 3D 打印技术快速在内部生产工具，且与外包给供应商相比，3D 打印可将周转时间从数周缩短至数天，并能够解决日常生产问题。

大多数公司生产夹具和固定装置的传统流程。如果在夹具或固定装置投入使用后发现任何问题，要么需要重新开始该流程，要么需要将部件返工。

而增材制造的工作流程则要简单得多。该流程通常只需要很少甚至完全不需要 DFM 工作，而且在内部完成生产时，不需要对装运部件进行报价或耗费数天的运输时间。

制造商可以降低材料、人工和设备成本。立式打印机所需设备和维护极少，同时还能节省 CNC 操作人员的时间，以便他们将更多时间投入高价值任务。

3D 打印不仅让设计师可以自由地引入定制化和打印匹配特定工作的定制辅助工具，而且还可以在不额外增加成本的情况下，构建复杂的几何结构。

借助先进的设计工具，工程师能制造出高度优化的成品，但采取同样的设计自由度以及更高的部件复杂性会使制造夹具和固定装置更困难。虎头钳和夹钳等传统的工件夹紧系统，无法确保和支持无定形形状或非常精细的部件。使用 3D 打印，工程师能够在摆脱加工导致的工具接触和磨损等限制的情况下制造物体。他们可以使用符合人体工学的、网格式的或高度复杂的形状来优化几何结构，而这些形状难以使用其他方法进行制造。这些方法还能实现轻量化设计，由于移动的重量更小，从而延长系统的使用寿命。

此外，制造商可以利用 3D 打印设计解决方案来简化 CAD 模型、减少部件数量，并降低对模具的装配需求。

得益于种类繁多的 3D 打印材料（涵盖柔性、刚性乃至防静电材料），您可以通过 3D 打印夹具和固定装置使用轻质和符合人体工学的 3D 打印聚合物工具来代替金属部件，实现应用多样化。Formlabs SLS Nylon 12 Powder 等材料的材料性能与常见的工业塑料（如 Delrin）相似，因此可以轻松进行一对一对换。

内部 3D 打印所具备的灵活性，可以让操作人员轻松创建、修改和迭代解决方案，以确保质量并提高运营敏捷性。这项技术让您能够：

• 支持在流程中更改并简化工具配置。

• 适应工具生产变化并按需 3D 打印备件、替换件或临时部件，从而最大限度减少机器停机时间。

• 持续鼓励改进，从实体库存转向数字库存，并改变工厂车间的组织方式。

• 快速响应并修复因制作辅助工具损坏或故障而导致的生产中断。 

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。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；您可用该方法来取代金属工具，甚至代替成品部件。诸多企业已经在利用灵活的 3D 打印技术来进行快速模具制作。请阅读 Formlabs 指南，了解使用 SLA 3D 打印的聚合物模具如何代替金属注射模具承受数百次生产运行。

创新并不止步于模具制作。Formlabs 社区还使用 SLA 和 SLS 3D 打印生态圈来生产成品部件，以实现定制制造和小批量生产。查看由 Formlabs 用户得出的压力测试结果，以验证 SLS 3D 打印部件的性能：其中包括航空航天供应商打印飞机中的定制适飞部件，以及水计量设备制造商对打印部件开展为期 15 年的极端天气测试。世界各地的制造商都在使用 3D 打印聚合物工具来替代金属部件，或是维修自动加工操作设施中的缺陷设备、电子元件或手动装配线、成型设备、铸造设施和其他生产设施。

本白皮书解释了夹具和固定装置设计的基本原理和概念，并讨论了如何在生产全过程中利用立体光固化 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印材料的独特优势来实现精益制造。最后，文中还记录了 3D 打印辅助工具的各种用户案例研究，以帮助您进行验证、制造、后处理、装配和检查活动。

固定装置最基本的功能是将部件固定在特定位置，并同时承受二次加工的力，同时确保固定的部件没有过度变形、移动或旋转。如需了解如何实现此目标，您先需要了解自由度的运作原理。刚性物体在空间中有六个自由度：上/下平移、左/右平移、 前/后平移、以及沿一个或多个轴旋转的自由度，称为俯仰、翻滚和偏航。

适当的固定装置设计原则需要尽量地限制这些自由度，以确保二次加工时能准确定位并保证操作人员的人身安全。虽然如此，避免过度约束部件也同样重要。过度约束会使部件承受额外不必要的力并导致夹具或固定装置需要更高的精度。以凳子为例来阐明该原理。三条腿的凳子受到的约束恰到好处：当凳子顶部表面承受压力时，凳子便不能垂直移动。摩擦力会阻止凳子向不同方向滑动，而每条凳腿会受到其他凳腿的约束，以避免个别凳腿或整个凳子的旋转。

• 完全约束是指正确操作所需的每个自由度都有一个约束条件。

• 欠约束是指当部件可以在一个或多个方向或沿一个或多个轴自由旋转、移动或滑动时出现的情况。固定部件期间，欠约束不仅会影响部件的正确运作，还会严重危害机器操作人员的人身安全并损坏设备。但是，取决于应用，也有部分工序可能需要欠约束：例如可以自由在刨床移动的木板。

• 支撑不足的部件有足够的约束以阻止物体的偏移和旋转，但支撑不足会使部件在二次加工（如铣削和钻孔）时严重变形。

• 在结构具有冗余约束时，就会出现过度约束。可以想象在同一项任务中施加多个力，这些力彼此之间会产生冲突，最后只有一个力取得“胜利”，最终按预期完成目标。最理想的情况是冗余的力不会产生任何影响，但在最坏的情况下，这些力可能会破坏结构的预期功能，导致部件质量下降并增加操作人员的风险。 

实际工作中，有时使用“过多”的约束是必要的。四脚椅子便是过度约束的示例。第四条腿是多余的，如果将椅子放在一个略微不平坦的表面上，椅子就会晃动。而这样做的好处便是四条腿能提高稳定性，但却对地面平整度的要求较高。在制造领域里，较宽容（约束较少）的固定装置设计可以固定更具多样性的部件（如铸件），而较严格的固定装置则更适用于表面更精确的部件（如机器加工或注射成型的部件）。

借助先进的设计工具，工程师能制造出高度优化的成品，但采取同样的设计自由度以及更高的部件复杂性会使制造用于二次加工的夹具和固定装置更加困难。虎头钳和夹钳等传统的工件夹紧系统，无法确保和支持无定形形状或非常精细的部件。使用 3D 打印，工程师能够在摆脱加工导致的工具接触和磨损等限制的情况下制造物体。

提高几何结构复杂度

由于使用 3D 打印技术，无需额外投入成本就可以制造复杂形状，建议在设计阶段中慎重考虑夹具或固定装置中可以内置的附加功能，以从此原则中获利。

• 难以加工制造的小型细节、具有曲面或复杂表面的部件，以及鉴于铣削或车削工艺的刀具间隙角而无法实现的几何结构，对于增材制造技术而言，均不在话下。

• 序列号、制作日期以及其他相关数据都可以内置到部件中，作为数字库存进行管理，无需二次雕刻便可轻松追踪部件。 

减少部件数量

加工制成的固定装置通常由两个部件组合而成，而如今可以作为单一部件构建，通过消除间隙可以避免灰尘或碎屑堆积。例如，您可以设计一个球形或者菱形的单一、无间隙结构部件，替代通过插入木钉或圆柱体来定位部件的方法。使用菱形或球形定位器可以最大限度减少接触面积，从而减少或避免在装卸过程粘接部件。

将基准特征构建在夹具和固定装置中以便检查

组装或制造过程中采用夹具和固定装置的目的是确定固定设备的尺寸精度。针对用于固定无定形部件的 3D 打印固定装置往往具有更加复杂的形式。这些设计无法使用卡尺和千分尺等标准计量工具进行检查。将基准特征构建至夹具和固定装置中进行打印，则可以简化检查过程，结果也更加准确。

• 理论上，基准是一种完美的几何结构参考，例如完全平坦的平面、圆柱孔的轴等。基准特征则是该概念在部件中的实现，我们可将其用作其他测量的主要参考点。基准特征应能符合二次加工和最终使用的功能性要求。 

• 情况允许时，可在固定装置内设计平面或直角几何结构，以辅助检查并确定总体精度。对于任何夹具或固定装置，应在加工后检查部件的同时验证精度，因为部件弯曲或刀具等操作条件可能会产生误差，因而需要更改设计。 

• 在要求极高精度的应用中，应使用 3D 扫描仪或接触式探头等数字计量工具，检查更为复杂无规律的几何结构。 

使用加强筋提高部件刚度

如需提高加工固定装置的刚度，通常需要向装载过程中易于弯曲的位置添加额外的材料。在增材制造过程中，最大限度地减少材料消耗有助于降低成本并加速打印过程。使用加强筋和圆角可以在不大幅增加部件成本和构建时间的情况下，添加额外的结构。

使用螺纹嵌入件增加机械连接的耐久性

在 3D 打印的塑料部件上添加螺纹孔是一种低效的连接部件固定方法；相比金属，这些部件在重复使用后更易于损坏或磨损。我们建议改用更有弹性的装配方法，例如使用螺纹嵌入件或套座，以便在拧紧螺栓时限制螺母移动。另外，3D 打印的固定装置可能会有穿通孔，用于将螺栓拧到 T 型螺母或下方固定板上。为了防止部件在固定至工作表面时发生弹性变形，通孔应采用间隙配合公差。

在设计工具时考虑使用者体验

成功的制造工序不但应该考虑到如何善用夹具和固定装置加工部件，还应考虑到工人使用工具时的心理和生理体验。虽然考量因素和限制因应用而异，但以下几个常见概念仍有助于优化体验感并提高效率：

• 情况允许时，可将夹具和固定装置设计为只需单手操作的工具，使另一只手得以用于定位和稳定部件，或在替换手时休息。 

• 设计夹具或固定装置在二次加工时无需人手协助便能稳固部件。 

• 采用能放大放置误差的几何结构以突出偏差。 

• 您不单要考虑到部件固定在固定装置中的情况，还要考虑到整体的工作流程，即装载部件、执行二次加工、移除部件以及发送部件到下一工序的过程。尽量减少夹具和固定装置的操作步骤，以便在最大程度上缩短周期时间并减少劳累的人工操作。设计时模拟所需的步骤，以确保已考虑了所有需要的动作和空间条件。 

考虑管理加工碎屑的影响

举例来说，钻孔时会产生小毛刺。在夹具内部设计空隙有助于容纳毛刺，以免干扰部件或工具操作。同样地，铣削操作中会产生细小的材料碎片，这些碎片会积聚在夹具或固定装置上。情况允许时，应尽可能减少或去除小间隙、凹槽和小空洞，以防止碎片藏在这些空间里。构建凹陷通道可以改善夹具或固定装置的功能，让杂散的碎片在装卸时从特定的路径掉出。圆角和凹槽可以产生倾斜表面，便于将工作区域的碎屑扫除、吹走或洗掉。铣削表面圆角的过程十分耗时且昂贵，并且需要移除大量的材料，或需要组装部件并产生新的接缝。

过去几年来，高分辨率 3D 打印机比以往更加经济实惠、易于使用并且稳定可靠。因此，3D 打印技术在越来越多的企业中普及，但在面对各种竞品 3D 打印解决方案时，做出抉择并不容易。阅读此技术指南，比较目前最成熟的三种塑料 3D 打印技术：熔融沉积成型 (FDM)、立体光固化 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS)。

FDM 工艺打印速度快、易于使用且成本低廉，因此通常可用于进行 3D 打印，制造夹具和固定装置。然而，SLA 和 SLS 更适用于满足以下要求的制作辅助工具：

• 分辨率和精度较高、表面光洁度更出色

• 强度和耐久性等机械特性优异

• 复杂设计

• 更高的产量

SLA 树脂 3D 打印机可使用激光将液态树脂固化成硬化塑料，这一过程称为光聚合。SLA 部件具有各向同性、较高的分辨率和精度。使用该技术打印部件可实现清晰的细节与光滑的表面光洁度，同时可为您提供广泛的材料选择。

从弹性到刚性、防静电或耐高温树脂，Formlabs 提供了一系列具有先进性能的工程树脂，适用于严苛的应用环境。Tough 和 Durable 树脂家族是 3D 打印制作夹具、固定装置和其他辅助工具的热门选择。

Formlabs SLA 3D 打印机易于设置、操作和维护。所需设备相对较少，可以无缝集成至任何生产工作流程。然而，SLA 部件的强度和耐久性有限。对于需要持久使用的工具，建议使用 SLS 技术。 

选择性激光烧结 (SLS) 技术是工业应用中最热门的增材制造技术，通常用于生产成品部件。选择 SLS 技术以大批量生产功能强大、具有复杂几何结构的耐用工具。

相对于基于树脂的 SLA 工艺，SLS 3D 打印机可使用高功率激光来熔合小颗粒的聚合物粉末。未熔合的粉末将在打印过程中支撑部件，所以不再需要使用专门的支撑结构。因此，SLS 非常适合制造复杂的几何结构，包括互锁链条、功能性组件和活动铰链。

SLS 的主要优势之一是材料。尼龙等 SLS 3D 打印材料已经成为了设计、工程和制造行业的常用材料，可在注射成型、机械加工或增材制造等工艺中发挥重要作用。尼龙部件坚固、耐高温且持久耐用，是制作辅助工具的理想材料。成品部件具有耐冲击性能，适用于要求严苛的工厂，可以承受日常生产活动的反复磨损。

Formlabs 的 Fuse 系列生态圈是一种具有包容性的紧凑型解决方案，能够以远低于传统 SLS 3D 打印机的成本实现工业级功能。将 SLS 引入内部意味着企业可以掌控绝大部分制造流程。

下表总结了选择使用 SLA 或 SLS 进行 3D 打印生产制作辅助工具的一些关键考量因素。请查看 Formlabs 的深入技术比较，获得更多详细信息。

验证打印工具

• 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检查打印部件的尺寸是否符合理论值。

• 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。 

• 对于需要较高操作力的工艺（如铣削或钻孔），可根据给进量、速度、机器功率、所选材料以及安全性来计算夹紧要求。 

使用 SLA 打印时考虑蠕变

在持续承受负荷的情况下，一些 3D 打印材料（特别是 SLA 树脂）会发生蠕变（永久性弹性变形）；比如，一旦长时间将打印的固定装置夹在工作台上，便会出现此情况。如需避免部件因长期受力而变形，最佳的做法就是在完成二次加工后将所有螺栓拧松，以此释放夹紧力。如果部件将持续承受负载，我们建议改用 SLS 技术打印。

使用普通库存部件强化 3D 打印工具

当部分组件需要 3D 打印的特性和设计灵活性，但整体工作条件或其他要求（如刚度或导电性）无法通过增材制造工艺满足时，这种方法非常有效。普通库存部件可用于补充打印夹具和固定装置的功能，包括金属轴（用于在保持刚性的同时，跨越更远距离）或垫圈（用于在更大的占用面积中，分散螺丝的夹紧载荷）。在增材制造工艺中使用库存部件，可以快速增强线性或旋转分度等机械性能，且成本远低于加工整个工具。

辅助工具弹出

使用弹簧、斜坡滑道或操纵杆将部件从固定装置表面提起。将弹簧放入固定装置后，一旦移除夹紧力，部件会从固定装置表面弹出，从而使操作员在拆卸部件时更加轻松。使用可移动的滑道或操纵杆也可以实现同样的效果，但需要操作人员执行额外的步骤。为了确定正确的方法，您需要考虑应用、工具设置和周期时间要求。 

按需更换磨损部件

即使在正常使用的情况下，夹具、装配工具和固定装置通常都会损坏或磨损，以至于无法使用。通过增材制造生产的夹具和固定装置，工厂可以无需依赖要求最低订货量的外部供应商，自己决定自己的生产量，并按需要内部制造替换工具。使用内部设备来替换磨损的固定装置有助于缩短供应链，并降低停机风险。

后处理 3D 打印工具以强化材料性能

SLS 材料可与先进的后处理方法配合使用，从而进一步改善部件性能和外观。阅读 SLS 指南，了解 SLS 3D 打印部件的后处理基础知识以及对打印件进行喷砂处理、平滑、涂层和上色等处理的先进方法。还可以对 SLA 部件采用电镀或涂层等后处理和精加工方法，以提高部件的强度和耐久性。

本节内容介绍了多个由 Formlabs SLA 和 SLS 3D 打印机用户提供的制作辅助工具案例，其中涵盖了从验证测试到检查的整个制造过程。

可以使用 3D 打印的量规和测试固定装置来辅助完成投产前的验证过程。验证指的是用来确定某个硬件是否符合既定投产要求的过程。实施验证阶段的目的是确保能够始终如一地大规模制造产品。验证过程作为产品开发过程的最后一步，需要对原型和预生产部件进行大量测试。

具体测试方法包括环境室测试、热循环、振动、ESD、生物相容性、耐化学腐蚀性测试；FDA、FCC、UL、CE、EC 和 RoHS 等认证以及抗老化、抗辐射、化妆品、磨损和跌落测试等等。制造商按需 3D 打印测试工具能够加快测试程序速度，并实现原型和预生产部件的快速迭代。 
 

制造是将原材料加工成产品的过程。制造技术包括成型、模塑、铸造、加工或焊接。这些技术通常需要用到计算机数控 (CNC) 铣床和模具等昂贵的专用设备以及熟练的技术工人。优化此类机器的产量是收回生产成本和提高投资回报率 (ROI) 的基础。凭借内部 3D 打印技术，制造商可以生产出低成本的定制夹具、固定装置、软爪、对准销和其他辅助工具，以满足特定制造方法和工作流程的独特需求。

装配指的是将各个部件组装在一起以形成最终产品的制造过程。在装配线上，需要将部件按顺序组合成半成品，再从一个工作站移至另一个工作站。可以自动、手动或组合操作这些装配线。这些装配线设置在工厂车间中，且运营过程中涉及到许多步骤、重要设备和人工操作。优化装配线的效率对于减少周期时间并降低生产成本至关重要。3D 打印装配工具可以促进内部流程持续改进，以优化工厂车间并提高运营敏捷性：

• 对许多产品而言，装配是生产过程中人工操作最多的步骤。使用 3D 打印技术制作的轻量级、符合人体工学和精确的装配夹具可以取代笨重的金属工具，从而有助于保护操作人员的人身安全并提高工作效率。
• 3D 打印技术支持制造商创建特定于部件的复杂工具，以匹配 SKU 的多样性。该技术实现了实体库存向数字库存的转型，并可为每种独特的产品提供量身定制的解决方案。

后处理指的是需要在制造完成后实施的一系列技术手段，其目的是进一步增强成品性能。这些技术手段可用于美化外观、调整化学和电气特性或硬度、嵌入或拆卸元件以及去除缺陷等等。典型的后处理方法包括喷砂、涂层、染色、上漆、电镀或抛光。

3D 打印用后处理工具可以确保过程的准确性和可重复性，同时减少了人工操作和错误风险。在涂层、染色或上漆等众多后处理技术中，操作人员的目的是保护产品的某些元件不受相应处理的影响。此过程称为遮蔽。传统上需要使用胶带、塞子、覆盖层、母版、乙烯基贴纸或加工部件进行遮蔽。而 3D 打印遮蔽设备既可以使用胶带，也可以使用一系列坚固柔韧的材料进行遮蔽，以保持部件的完整性。 
 

检查是质量控制 (QC) 过程的关键部分，也是发货前的最后一个制造阶段。该过程涉及一套用于确保产品满足规定要求的程序。其中包括审查、测量或测试。常见的检查方法包括尺寸分析，在此过程中需要根据其容许公差对成品进行检查。需要用到的工具为量规或检查固定装置，其中包括可以直接 3D 打印的简单材料和复杂的机械设备，如需要工件夹紧装置的坐标测量机 (CMM)。

制造商可以利用 3D 打印的设计自由度，根据其部件和 QC 程序在内部生成定制的检查固定装置和仪表。可以根据需求构建复杂准确的检测工具，从而在加速生产过程的同时确保产品满足客户的期望。

现代工厂必须不断适应日新月异的客户要求，并找到保持高效、灵活并具有竞争力的新方法。将产品推向市场需要用到许多流程、机器和人工操作，而这些都需要通过制造链进行优化。世界各地的企业纷纷借助内部 3D 打印辅助工具来解决车间中遇到的问题、提高制造效率和简化制造流程。

无论是在加工工件夹紧装置、装配夹具、检查固定装置还是臂端工具的备件时，根据需求使用 3D 打印技术生产制作辅助工具来取代金属工具都可以提高生产速度、质量和效率。

欢迎索取免费样品部件，亲身感受 Formlabs 3D 打印材料品质，并联系我们的 3D 打印专家，为您的应用找到合适的解决方案。