金属加工指的是通过对金属进行塑形和成型处理来生产金属制品的过程。金属组件因具有出色的耐用性、强度、可靠性、耐磨性和耐高温性而备受推崇，金属加工也因此成为了全球制造的一个关键组成部分。金属加工在汽车、航空航天、建筑、能源和消费品等终端应用领域发挥着举足轻重的作用，原因是上述领域的汽车车架、飞机组件、重型机械和医疗设备等多种应用都高度依赖金属部件。随着这些行业的发展，生产高质量金属部件的效率和成本压力也在逐渐增加。市场对精度、效率和可扩展性的要求推动了工具和技术的进步，并使其成为了金属加工工艺的重要组成部分。

最常见的金属加工技术有机加工、焊接、成型以及铸造。这些技术通常会涉及高强度施力、高温或化学品接触，因此每种工艺都要求使用专门的工具来固定金属部件，并对工具的运行加以引导，以确保生产活动的精确性、安全性和可重复性。例如，夹具可以协助引导切割工具，以确保切割作业的一致性和精确性；而固定装置则可以在机加工或焊接的过程中将工件固定到位，以免因工件移动而导致出错。CNC 加工、铸造或手工装配等传统的工具加工方法既耗时又成本不菲。生产一个定制工具通常需要花费数天到数周的时间，且每个工具的制作成本为几百美元到几千美元不等，具体取决于部件的复杂程度。

为了适应特定的部件几何形状，企业通常需要对工具进行定制，而使用传统方法生产这些定制工具无疑会延长工具的交付周期并增加其生产成本。此外，部件或工艺设计上的任何改动都可能导致企业需要制作新的工具，这会进一步增加生产成本甚至延误生产时间。这种效率压力为需要频繁制造原型、进行小批量生产或是快速进行迭代设计的行业带来了挑战；而且工具的制作成本也对设计迭代工作和设计的灵活性构成了阻碍。各类金属加工工艺对精确对准、操作可重复性和工件刚度的严苛要求进一步加剧了传统工具加工方法所面临的挑战，并使得生产物美价廉的夹具和固定装置变得十分困难。

3D 打印技术，尤其是立体光固化 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS) 技术，为金属加工夹具、固定装置和工具的制造带来了可靠的替代方案。与传统制造技术相比，3D 打印技术明显更加经济快捷，这一点在定制产品和实现复杂设计的时候体现得更为明显。借助 SLA 或 SLS 打印机，您可能仅需几个小时就能打印出原本需要两到三周制作时间，且加工成本高达 1000 美元的定制夹具，且制作成本仅为前者的一个零头。

Formlabs 打印机能够提供实现精确、可重复的夹具和固定装置生产所需的精度，且 SLA 和 SLS 打印过程中所使用的材料非常坚固，足以抵御恶劣的金属加工应用环境带来的影响。利用 3D 打印技术制造金属加工工具有诸多好处，可有效解决传统制造方法所面临的许多难题：

缩短交付周期：与传统制造方法相比，利用 3D 打印技术制造夹具和固定装置的速度要快得多，通常最多可将交付周期缩短 90%－95%。

降低成本：该方案省去了与传统工具加工相关的昂贵设备与人工，从而节省了大量成本，甚至有可能减少 90%－95% 的工具加工成本。

按需生产与数字化库存：3D 打印方案支持按需生产，能够最大限度减少对大批量实地库存的需求，并能够实现快速的调整或更换。

设计自由度与定制性：与传统方法不同，3D 打印支持制作复杂的几何结构，并可轻松实现工件定制，以便用户对不同的部件或项目进行快速修改。

精度和可重复性：与手动加工方法和熔融沉积成型 (FDM) 3D 打印相比，SLA 和 SLS 技术可实现更高的加工精度。该特性可以确保制作出来的夹具和固定装置尺寸精确且迭代质量一致。

轻便且符合人体工程学原理：3D 打印技术能够在不牺牲强度的前提下制造出轻便且更符合操作员人体工程学特性的工具，同时降低材料成本。

Formlabs 的定位是以亲民合理的价格提供工业级机器，以满足金属加工行业的需求。广大企业可以凭借高分辨率的 SLS 和 SLA 打印机、丰富的材料选择和直观的软件实现内部 3D 打印，从而减少对供应商的依赖并加快生产速度。此外 Formlabs 还推出了自动化后处理解决方案，用以简化从设计到应用后处理工具的整个过程。

本白皮书将为您呈现多种加工方法和案例研究，以展示企业如何利用 Formlabs 的 3D 打印机按需生产定制型夹具和固定装置，以简化其工具加工流程。

机加工是一种减材制造工艺，需要使用车床和铣床等工具从工件上移除材料。该工艺是生产精密组件的重要方法。在加工过程中，夹具和固定装置扮演着重要的角色；它们可以牢牢固定住工件，并确保工件能够在加工过程中精确对齐。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。

焊接制造工艺可通过施加热量和压力生成强大的粘合力，从而将不同的材料连接到一起。常见的焊接技术包括电弧焊、MIG 和 TIG；目前这些技术已广泛应用于建筑和制造领域，可生成坚固、耐用的连接。夹具和固定装置能够在焊接过程中对工件进行精确定位，并使之保持对齐。此类工具必须具备出色的耐热性、刚性和耐用性，从而避免在重复多个工作周期之后发生翘曲。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。

本白皮书主要介绍用于金属部件加工，尤其是焊接和机械加工的 3D 打印夹具和固定装置。案例研究中还包括了机器人抓手和装配固定装置的示例。为了简化加工操作和快速模具制作流程，从而实现小批量生产，Formlabs 用户已经开始在工厂车间内部打印制造辅助工具。请查阅以下文档，以了解有关 3D 打印工具的更多信息：

• 面向装配、检查、替换部件等应用的制造辅助工具
• 钣金成型模具
• 熔模铸造模型
• 注射成型、硅胶成型、吹塑成型和热压成型模具

请查阅 Formlabs 的 SLS 和 SLA 技术指南，以便对每种技术有一定的了解。这两种产品都是功能强大的夹具和固定装置制造解决方案，但它们的材料性能、工作流程和生产能力各不相同，因此可作为应对各种金属加工挑战的互补工具。

选择 Formlabs SLS 用于：

• 坚固、耐用的重型工具：此类部件需要承受较高施力和反复应力，例如抗冲击加工固定装置。
• 用途广泛，且可耐受化学腐蚀和环境变化：Nylon 12 Powder 是一般用途 3D 打印的首选材料。尼龙 3D 打印部件吸水性极弱，并具有耐光照、耐高温、耐化学腐蚀等特性。这一点对于机加工工具尤为重要，因为这些工具会接触到冷却溶剂。Formlabs 建议选择 Nylon 12 Powder 作为默认材料。有关更多具体用例，请查阅 SLS 材料目录。
• 设计复杂，结构轻巧：SLS 无需支撑结构，可为制造复杂或中空的几何结构带来更大的设计自由度。该技术支持设计晶格结构，可在保证强度的同时减少材料用量，非常适合制造用于钣金成型或机器替换部件的大型轻质夹具。
• 高产量：SLS 是中等批量生产的理想选择。该技术无需使用支撑，因此操作员可以堆叠部件，从而减少后处理时间。Formlabs Fuse 1+ 30W 成型室使操作员能够在整个成型体积内密集排料，以便最大限度提高产量和效率。Formlabs 的 Fuse Sift 和 Fuse Blast 能够简化粉末回收过程，并实现自动化的部件清洁和后处理。

选择 Formlabs SLA 用于：

• 出色的精度、精美的细节和光滑的表面处理效果：适合加工对齐工具、定位夹具、测量装置或人体工程学固定装置等应用。可以轻松集成定制把手等元素，以提升用户的舒适度。
• 支持多种材料性能，可在各种树脂之间轻松切换：适合打造具有高弹性、防静电性或阻燃性等多种特性的工具，以满足专业化应用需求。有关更多信息，请查阅 SLA 材料目录。Rigid 10K Resin 经常用于金属加工应用环境，尤其是用于生产焊接固定装置；它是一种坚硬的耐高温材料，在 0.45MPa 下的热变形温度为 218°C，拉伸模量为 10000MPa。
• 简单易用的生态圈可实现快捷的短期生产：用户只需掌握树脂处理规程，即可轻松运用 SLA 技术。Formlabs 的 SLA 生态圈价格低廉，所需设备相对较少，且可以无缝集成到任何生产工作流程中。该技术是一种快速便捷的解决方案，适合小批量生产不要求具备极高耐用性的工具。

下表总结了在选择将 SLA 还是 SLS 作为 3D 打印制造辅助工具时需要考虑的一些主要因素。请查看 Formlabs 的深入技术比较，获得更多详细信息。这两种技术都能在加工车间发挥互补作用，并帮助用户面向各种金属加工应用制造精确、耐用的定制夹具和固定装置。

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 打印夹具或固定装置时，需要考虑几个不同于传统金属加工工具的关键设计考量因素，以实现专属于增材制造的独特功能：

运用复杂的几何结构：可利用 3D 打印实现在金属加工过程中难以实现并且价格不菲的通道、凹槽、空心结构等复杂的内部特征。SLA 最适合制作精美的细节和光滑的表面，而 SLS 则适合制作耐用、复杂且能够承受机械应力的结构。

优化轻质结构：可利用 SLS 技术打造具有晶格或蜂窝结构的轻型夹具。这类夹具在减轻重量的同时不会影响强度，而这一点是传统工艺加工的实心金属部件所难以实现的。

实现壁厚精确的设计：SLA 可精准实现壁厚约为 2－3mm 的复杂设计。虽然 SLA 的加工厚度并不一定薄于金属，但它可以获得更复杂的形状，并在不额外进行机加工的情况下实现更光滑的表面处理效果，这有助于提高性能和降低成本。

集成多种功能：3D 打印可将夹钳、定位器和导向器等功能集成到一个部件中。这样可以简化设计，并减少成品对制造多个装配组件的需求。

加入光滑的圆角以提升强度：利用 SLA 技术在应力点添加光滑的圆角（半径为 1－2mm），以降低开裂风险并减少应力集中。虽然金属加工技术也可获得圆角，但 3D 打印能以更少的制造步骤和更高的效率实现抗应力效果更加出色的设计。

提升人体工程学体验：用户可在 SLA 设计中直接添加定制把手或波形边缘等人体工程学元素。相比传统的金属加工工具，这些细节不仅提升了工具的实用性，而且降低了工具的整合难度与相关成本。

模块化与定制化设计：用户可使用 SLS 打造模块化的夹具和固定装置，从而轻松实现定制或更新。与重新制造整个金属工具相比，这种方案能够帮助用户更加灵活、快捷地进行调整和更换，从而节省时间与成本。

通过单件设计减少装配工作：将复杂的装配整合到单个 3D 打印部件中，从而最大限度缩短装配时间和降低错位风险。与多件式金属固定装置相比，SLA 和 SLS 可以简化生产工作流程，并减少需要管理和对齐的部件数量。

Formlabs SLA 和 SLS 部件可以采用先进的后处理方法来提升部件的美观度、机械性能和整体性能。用异丙醇清洗 SLA 部件后，可采用打磨、喷漆或涂层等技术来获得所需的表面处理效果。可以通过介质喷砂或化学平滑来改善 SLS 部件的表面质地。请查阅 Formlabs 后处理指南以了解更多信息。

以下案例研究重点介绍了如何将 Formlabs SLA 和 SLS 打印部件用作焊接固定装置、机加工工具以及负责拾取加热 (80°C) 金属嵌件的轻质机器人抓手。这些案例研究显示，Formlabs Rigid 10K Resin 和 Nylon 12 Powder 部件适用于金属高温作业，且与其他方法相比可以节省下 100 至 10000 美元的单件工具生产成本。

Formlabs 位于马萨诸塞州萨默维尔市的总部设有一个占地 278 平方米的加工车间，供研发团队用于制造原型。这是一个高混合度的小批量制造环境，配有多台 CNC 铣床、CNC 车床、Bridgeport 手动工作站、水射流、激光切割机、钨极惰性气体 (TIG) 焊接站，以及用于检查和计量的专用区域。该团队使用 3D 打印夹具和固定装置来完成虎钳钳口、机加工夹具、钣金折弯模具、焊接固定装置等各种金属加工任务。

团队需要完成的大多数工作都是一次性作业或是件数仅为数十件的小批量生产任务。为了提升速度，他们通常需要在 Form 4 上使用 Rigid 10K Resin 完成工具的 3D 打印。不过，在打印用于 CNC 机床内部的工件夹具时，他们通常使用的是 Fuse 系列打印机和 Nylon 12 Powder；这是因为该材料比 SLA 树脂更能够抵御冷却剂的影响。

Red Oak Fabrication 是一家位于爱荷华州西南部的综合性制造企业，主要负责制造钢、不锈钢和铝制产品。该企业具备多种尖端技术，能够利用符合各项行业标准的技术手段来完成金属制品的整套生产流程。他们擅长的作业流程包括精密等离子、激光和水射流切割；CNC 操作；钢材喷砂；粉末喷涂；钣金成型以及先进的机器人焊接。以金属惰性气体 (MIG) 焊接为主的焊接业务占据了该公司很大的业务比例；目前该公司已部署了大约 15 个手动焊接站以及三个自动机器人焊接单元。

工具制造对于支持日常焊接作业和提高作业效率有着至关重要的意义。该企业采用了两种焊接夹具内部制造方法。一种方法是将钣金加工后的部件安装在一起；这种方法相当简便和经济，但无法制造出高精度的工具。除此之外，他们还可以选择利用 CNC 加工来制造高品质的金属夹具，但这种方法的成本较高且交付周期很长。然而，这两种方法均无法应对交付周期短且成本预算较小的中小批量订单。

为了解决这一问题，他们购买了一台 Form 3L SLA 3D 打印机，从而能够以 CNC 加工十分之一的价格，在一天内制造出精确、坚固的 3D 打印夹具和固定装置。3D 打印不仅能够帮助他们以更低的成本和更短的时间（不高于原来成本和时间的 90%）打印出高质量的夹具，还能帮助他们制造出很难用其他方式生产出来的复杂几何结构和有机形状。通常情况下，该团队能够利用每个夹具焊接出数千个部件，从而满足客户的中小批量订单需求。“3D 打印为我们提供了一个简单的折衷方案，我们无需花费几个月的时间，而是仅需几天即可完成从设计到成品夹具的制造过程，”Red Oak Fabrication 的制图与工程经理 Taylor Smith 说道。

焊接夹具成本分析：

焊接作业的温度通常高达几千摄氏度，这种作业环境对聚合物工具来说是一个极大的挑战。因此，该团队选择使用 Rigid 10K Resin－一种坚硬且耐高温的材料进行打印。夹具不会与焊接点直接接触，且加工时间只有 10 秒左右，因此工具不会过度升温。

The Factory Amsterdam (TFA) 是位于美国纽约州的一家金属和塑料合同制造商，主要负责开展自动化和熄灯制造业务。他们可以提供 CNC 车削、增材制造、激光打标等一系列服务，以及阳极氧化铝、钢、不锈钢和各种塑料的后处理技术。该团队可面向燃气涡轮机部件、消费电子产品等多个市场提供 10 到 10000 件的订单生产服务。在购置了 Formlabs SLS 打印机后，他们不仅能够以 3D 打印服务提供商的身份开展业务，还可以利用 CNC 加工工件夹具、装配固定装置、钣金成型模具和机器替换部件等 3D 打印工具为旗下的金属加工业务提供支持。

用于 CNC 车削的夹头垫块：通常情况下，该团队会在车削操作中使用钢制夹头，且通常会为其搭配可互换的垫块，用于在两个车床主轴内部分别压紧所装载的部件。但要注意，车削是一项要求很高的应用。当主轴以高达数千转/分的速度高速旋转时，工件夹具会受到径向力的作用。通常情况下，这些夹头垫块为淬硬工具钢材质，但为了适应更加复杂的部件特征，许多应用会要求使用支持机加工的工件夹具。这些可机加工垫块属于特殊订购物品，有软钢、铝或尼龙三种材质可供选择，其交货周期可能长达三到四周。如今，凭借 Fuse 系列打印机和 Nylon 12 Powder，TFA 可在一天之内完成上述垫块的 3D 打印工作，且打印成本仅为 7 美元。

Nylon 12 Powder 可实现较高的准确度和精确度，因此完全符合该应用的要求。该应用需要将 3D 打印的夹头垫块插入带有高精度接口的钢制主夹头。“我们需要将小型燕尾接口卡入这些主夹头，而这是其他 3D 打印工艺所难以精确实现的。这也正是 Fuse 打印机的真正优势所在，”Bradley Matheus 说道。所打印出的一套垫块可以辅助生产至少 3000 个部件，也就是连续生产 100 多个小时。此外，这些垫块还能够协助保护精密部件的精细加工表面，以避免钢制夹头在加工表面上留下痕迹。

CNC 车削固定装置成本分析：

“也许它的使用寿命还是比不上钢制或铝制部件，但考虑到成本上的差异，它的性价比就相当高了。在使用金属垫块时，我必须得更加小心，因为它们的价格确实非常昂贵。我所从事的大部分工作交付周期都很短，所以我根本没有时间细细考虑。如果遇到某些形状奇怪的部件，而我现有的加工工具无法将其夹持住，我就会 3D 打印一些垫块，然后工作就顺利完成了。它们真的为我解决了很多问题。诚然，这些垫块并不能帮我完美解决我所遇到的每一个制造难题，但事实证明，它们能够满足许多要求严苛的应用需求，”Bradley Matheus 说道。

磁铁装配工具：TFA 还在使用 Fuse 系列 SLS 部件为二次加工流程提供支持。机加工完成后，他们需要对部件进行后处理，并在其中安装两块磁铁。通常一个订单会要求装配 6000 块 N52 级磁铁；这种磁铁的吸力相当大，且难以通过人工方式操纵。“对操作员来说，在没有辅助工具的情况下进行装配作业简直苦不堪言。但我们目前还没有为其找到现成的解决方案。Fuse 系列打印机能够帮助我们以经济高效的方式生产出比原来更加坚固耐用的装配工具。它能够提升我们的迭代速度，使我们不费吹灰之力就能生产出精度极高的部件，”Bradley Matheus 说道。

“装配工艺所涉及的部件都是定制部件，我们通常无法直接购买到成品。因此，能够在公司内部部署一个高度灵活的制造方案是非常难得的。”

Etienne Lacroix 集团是一家烟火领域的全球性企业，可面向国防、安全、物流、工业和活动等领域提供全方位的解决方案。该集团旗下的 MPM 公司专门从事中小批量（最多 1 万件）的复杂热塑性塑料部件注射成型业务。该公司的工厂部署了 23 台注射成型机以及 CNC 加工、焊接、打标、喷涂和装配工作站，旨在为客户提供子组件产品。

此外 MPM 团队还具备多种增材制造技术。他们使用 FDM 打印技术进行概念验证，并使用 Formlabs SLA 打印机制造功能原型和小批量注射成型模具。两年前，他们购买了 Fuse 系列打印机和 Nylon 12 Powder，用于打印固定装置、机器替换部件和小批量成品部件。如今，他们每周会用 Fuse 系列打印约 60 个供内部使用的部件，其中包括塑料加工固定装置、焊接固定装置和机器人机械臂端工具等等。算上客户的原型制造订单，他们迄今已利用 Fuse 系列打印了约 4000 个部件。以下是一些值得注意的内部工具示例：

超声波焊接固定装置：此类工具需放置在超声波焊接机内部，用于在焊接过程中将黄铜嵌件固定在注射成型部件上。尽管受到了高温、高压和振动的影响，所打印的固定装置在执行 3000 多次焊接作业后仍然能够正常使用。这些工具几何结构比较复杂，且带有较细的加强筋和难以加工的对齐特征，因此团队需要将该任务外包给五轴 CNC 加工服务公司。在应用 3D 打印技术后，他们不仅节省了 90% 以上的时间和成本，而且能够实现出色的制造精度和设计复杂度。此外，用 Nylon 12 Powder 打印的工具要比金属固定装置更加柔软，可有效保护焊接部件不被刮伤。

超声波焊接固定装置成本分析：

机器人机械臂端工具 (EOAT) 替换部件：该团队使用 Fuse 系列 3D 打印机来打印定制 EOAT，用以替换原来的磨损部件；这样做有以下几种好处：

• 更换磨损抓手的方案要比原来的方法更加经济、快捷
• 减轻这些部件的重量（通常减至原始重量的三分之一），从而延长机器人的使用寿命
• Nylon 12 Powder 制成的抓手具有出色的柔韧性，因而可以降低刮伤金属部件的风险
• 可根据部件的几何结构定制抓手

一个特定的机器人 EOAT 每月需要辅助生产 5000 个二次成型部件。该机器人由 32 个抓手组成，其作用是抓取高温（温度为 80°C）金属嵌件，然后将其放入注射成型模具。这些抓手之前是需要委托给原始供应商用塑料制成的。这些部件的磨损速度很快，且在执行两个批次（约 10000 件）的作业后就需要更换。每个抓手的成本为 55 欧元，即每个机器人更换抓手的成本为 1760 欧元，且抓手的交付周期为三周。

有了 Fuse 系列，该团队仅需一天时间即可将其打印出来，且每个抓手的成本仅为 1 欧元。Nylon 12 Powder 制成的抓手要比原来的抓手更轻，且对高温嵌件的耐受性也更好。在使用一年并加工了大约 6 万个部件之后，这些抓手仍然可以正常工作。每年仅此部件一项即可为该团队节省超过 10500 欧元。

机器人 EOAT 成本分析：

Brose 是全球五大家族汽车供应商之一。在汽车供应链的每个阶段，金属部件都是整个产品的关键组成。这可以理解，毕竟焊接是装配过程的重要一环。在 Brose North America，Brose 的增材制造技术团队负责操作 SLA 和 SLS 打印机，他们的焊接机器人需要在不同的产品线之间不断切换。使用原型金属导轨对焊接机器人进行编程的成本很高，而且在焊接站准备编程设备时，往往无法获得这些原型金属导轨。3D 打印提供了一种快速、经济的解决方案，同时满足了这些安装部件的生产速度和尺寸精度要求。该团队会在 Form 4L 打印机上使用 Fast Model Resin 打印大型焊接设置部件。请阅读完整的案例研究，以了解更多信息。

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。与传统方法不同的是，3D 打印可以实现按需制造，并可通过数字存储最大限度减少实地库存。

本白皮书向您展示了使用 Formlabs 的 SLA 和 SLS 打印机生产高质量金属加工夹具和固定装置的可行性。案例研究的结果非常清楚：使用耐化学腐蚀和耐热材料生产 CNC 加工固定装置和焊接夹具可将成本和交付周期减少 90% 以上，且使用机器人抓手每年可为您节省 10,000 美元。这些示例表明，Formlabs 的技术能够满足严苛工业环境的要求。

对于准备利用 3D 打印技术制造加工工具的公司来说，本白皮书会是一份实用的入门指南，可以指导您选择合适的材料和打印机、优化设计以及制定数字库存策略，从而帮助您最大限度提高生产的灵活性和效率。

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