焦点：3D打印大规模制造面临的挑战
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写在前面：本文以FDM大规模制造为例，介绍在当前条件下面临的挑战，所涉及的内容，同样适用去其他规模化使用的3D打印技术。
FDM（熔融沉积）是如今业内最常用的3D打印技术，对于许多用户来说，这是他们开始接触3D打印时最先使用的增材制造技术，也是普通老百姓想到3D打印机时，最先出现在他们脑海中的形象。从微观尺度到建筑房屋，3D打印的应用是无穷无尽的，我们每天也都会看到3D打印的新用途。我们不仅将FDM应用于不同规模的应用、不同种类的材料，还将其应用于各种各样的产业，其应用比我们所能想象的更潜力无限！
FDM技术工作原理
将FDM技术从理论知识拓展至多种技术类型，再到各个行业的应用，我们发现学校、研发机构以及服务商不过是FDM对于不同应用和众多用户群体的一种应用形式。虽然每一项应用都可以对FDM技术提出独特挑战，但将FDM作为3D打印技术的首选却有着必然原因。本文我们将仔细研究FDM 3D打印技术在生产中所面临的挑战，讨论零件数量的调整如何影响学校3D打印实验室、研发机构和服务商的运作。
为什么选择FDM？
FDM的最大特点是具有灵活性和多功能性，并且技术本身具有相当好的成本效益，设备价格甚至可以低至1000元。从桌面型到工业版本，FDM可以高度适应各种应用，可以生产从快速原型到最终用途的任何标准零件。除了固定成本低之外，该技术的可变成本也非常经济。对于一般的维护、修理和配件更换以及用电，FDM都是迄今为止最具成本效益的3D打印技术。FDM 3D打印的最大卖点之一是可用材料的多样性，从巧克力到塑料，再到碳纤维甚至金属，几乎任何可以制成丝材的材料都可以用于某种特殊类型的FDM打印机。
FDM相比其他技术的使用成本更低
FDM 3D打印技术面临的挑战
有了这些优势，就会出现一些明显的缺点。虽然该技术易于使用，但掌握FDM 3D打印却需要极大的耐心。FDM常见的打印质量问题很多，例如强度不够、表面质量差、扭曲错位以及翘曲窜动等等。虽然针对于这些问题都有对应的解决方案，但是为了获得期望的外观可能需要进行多次尝试。FDM机器具有许多移动部件和参数设置，需要根据零件的几何形状、打印机所处的环境以及预期的打印质量进行调整。
FDM打印质量问题
另一个明显的缺点是打印更多或批量零件。由于大多数桌面FDM设备被设计为只能同时打印一个或少量零件，因此扩大生产将是一项挑战。对于工业FDM 打印机，可以具有更大的打印床并且每次可以处理更多部件，所面临的挑战是确保使用正确的设置或者要冒整批零件废掉和相关成本的风险。
FDM 批量生产问题
当在学校3D打印实验室、研发机构以及服务商那里使用FDM技术时，随着处理的部件数量增加，上述挑战将成倍增加。当要面对数十个用户，用多台机器一起工作生产数百个零件时，每台打印机可能出现的小问题将累积成为巨大挑战。
处理大量3D模型文件
在扩大生产时，首先要考虑的是如何管理这些增加的、要处理的3D文件。3D打印过程的首要问题是对3D文件进行多步修复确保可打印，查看和修复3D文件，检查几何中的常见问题以及分析特定材料的可打印性需要专业知识和多个软件。如果每天只需要处理1-2个零件，这不是一个大问题，可以使用一些免费工具。但如果每天处理超过10-15个零件甚至数百个零件时，可以想象使用多个软件是多么让人沮丧和费时。
同一个项目中众多的零件分解图
与FDM特别相关的是，处理大量不同3D文件的最大挑战是要对不同的零件进行不同的设置，以确保打印质量。选定材料和机器类型、设置参数以及摆放方式都需要时间，并且以有效的方式对数百个零件执行所有这些操作并非易事。服务商可以针对用户重新订购、打印相同项目的批次或用于原型设计的迭代情况下存储过去的打印机设置。文件管理和工作效率是大规模FDM 生产面临的重要问题。这些问题对研发机构和服务商尤为重要。
每一个零件都有其独特的参数设置
对于研发机构，最大的挑战是管理文件的版本，参数设置以及管理不同的机器。在进行原型或工具设计时，研究人员针对相同文件会有进行修改或优化后的多个版本。在迭代时，可能还会多次尝试使用不同的FDM打印机设置进行打印。为了获得更佳的效果，有可能会有不同的设备和不同的材料及工艺，如此文件的管理就变得更加复杂。
对于服务商而言，最大的挑战是优化生产工作流程，从接收用户文件到检查和修复文件，再到生产，需要确保整个过程的良好沟通。在进行同一部件再次生产的情况下，拥有记录可以为服务商带的工作流程带来极大便利。
管理多台机器
除了文件及工艺管理问题之外，在任何3D打印实验室管理多台机器对于FDM技术来说都是一个真正的挑战。由于许多FDM打印机的批量加工能力有限，根据材料类型识别哪些机器可用并且能够将部件合理分配给打印机变得越来越重要。首先，服务部门要识别可用的机器。虽然可能有许多打印机可以打印多种部件，但并非每台设备都可以打印每个部件或材料，这是确定哪个部件最适合哪台机器的重要部分。举个简单例子，假设您有三台FDM打印机，A、B、C每台打印机都使用不同材料，并且打印尺寸不同。现在，有30个部分要打印，很明显，你不能均匀地每台打印机分配10个部分。有些部件对于打印机C而言太大，有些部件需要金属材料，这些部件只能在打印机A上完成，有些部件过去已成功在打印机B上完成。要手动检查每个部件并将其分配给打印机，将花费很多时间，而且还可能出现失误或遗漏信息。一旦确定哪个打印机打印哪个部件，还将面临决定首先打印哪个部件以及预计部件何时完成的挑战。由于这些原因，管理多台设备是FDM 3D打印的一个特殊问题。
FDM批量生产面临设备管理问题
在服务商那里，可追溯性至关重要。能够快速识别所面对的零件适合哪种或哪台设备，将在生产效率和客户得失之间起到微妙作用。客户希望知道他们的零件制作已经运行到了哪一步以及何时可以拿到零件；管理人员希望了解机器的使用问题，包括导致问题的原因及每台打印机的投资回报率；生产工程师想知道哪种机器最适合哪种类型的项目，以及它们如何提高每次生产运行的效率。对于所有这些情况，可追溯性是至关重要的，解决这个问题，将带来巨大的投资回报。
用于增材制造的可追溯性
学校3D打印实验室，通常会将多台FDM 3D打印机放置在教学楼的不同教室，或者甚至会在不同校区分别管理。这种情况面临挑战是要知道哪些机器真正可用。
协调FDM操作人员
如前所述，FDM 技术有许多设置和配置需要根据项目、材料和机器进行调整。当面临多个操作人员使用同一台设备时，可能会产生可追溯性问题，对协作提出挑战，并妨碍技术交流和共享。知道每个3D打印实验室中哪个人正在使用哪台机器很重要。无论是创客空间、学校、研究机构还是服务商，机器和操作人员的可追溯性都是管理的一个关键方面。协作对于学习和技能增长具有重要作用，一台设备如果有多个操作人员，能够分享最佳打印设置、使用某些材料的经验，或知道某台设备的特殊性可以在成功打印和重复打印之间产生显著差异。此外，如果业务做得很大，设备分散，那么技术团队将面临知识共享的特殊挑战。
广泛的技术交流极为重要
我们已经看到很多跨国公司正在通过增材制造替代传统的原型设计方法，并寻找与不同业务部门的同事分享知识、增进交流。鉴于增材制造刚刚开始显示其真正的潜力和应用，团队技术共享对于任何增材制造计划的成功都至关重要。
如何面对FDM在批量生产中的挑战？
当前国内的3D打印服务市场可能还不是太大，也许还没遇到上述问题，但这个行业迟早会做大。国外针对此情况有的推出了增材制造管理系统，旨在帮助用户以数字方式安排3D打印生产并确定其优先级，但实则是一个生产管理系统。笔者未能找到如何解决这一挑战的方法，但文中出现的问题会随着业务量的增大会逐渐出现，有兴趣的读者请加入3D打印技术参考讨论群，自行下载解决方案简版，为未来可能出现的问题做好准备。
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原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：焦点：3D打印大规模制造面临的挑战