生產工具是增材製造 (AM) 典型應用之一。本文分享的這個經過重新設計的夾持器就能很好地體現這一點。該夾持器在批量生產系統中用於提升輕型圓柱形物體。Materialise瑪瑞斯與其客戶通過密切合作，對夾持器進行重新設計，帶來了幾項重大的改進。其中之一就是每個夾持器的製造成本得以減半。
這一夾持器最初是採用傳統生產工具製造的。從不同方向鑽了幾個直孔，便於相互交叉，形成必要的內部通道，開口處用空塞密封。為避免進一步增加組件成本，客戶沒有進行任何進一步可以減少夾具體積的銑削工作。
Materialise瑪瑞斯的客戶之前有過塑料零件增材製造的經驗，並且清楚增材製造在成本和效率方面的優勢，尤其是在生產工具方面。儘管如此，在重新設計之前，他們必須首先思考，該夾持器的製作是否有必要應用3D列印。將他們對夾持器的要求與3D列印帶來的可能性進行比較，得出了一個明確的結果：3D列印可以降低夾持器的製造成本，減輕夾持器的重量便於進行更快的移動，形成更短的夾持周期，夾持器也能有更好的真空分布，並減少了錯漏情況。增材製造的自由設計可以實現以上所有目標。
Materialise客戶用於3D列印的設計
客戶選擇的材料是鋁。一方面，金屬比塑料更輕量耐磨。另一方面，它可以形成易於清潔的光滑表面，能在生產過程中輕鬆保持夾具的清潔。此外，鋁在經濟層面上非常適合用於高價值和小批量的中小型部件。
在自己增材製造開發設計完畢後，他們希望通過Materialise瑪瑞斯進行生產。Materialise瑪瑞斯的設計與工程團隊很快意識到可以進一步改進設計。雖然客戶自己的設計已經顯著減輕了零件重量，但這樣設計的生產成本高於原先的傳統生產方法，並且內部通道沒有進行空氣動力學優化。
Siemens NX Realize Shape模塊
在客戶同意後，Materialise瑪瑞斯的工程師開始對該設計進行進一步的優化。使用可實現自由形式建模的Siemens NX Realize Shape模塊進行重新設計。專家們還通過Magics軟體的預覽功能優化了3D列印過程中的幾何形狀，該功能可以在選定的方向上顯示組件的所有必要支撐區域，確保組件內部不需要支撐結構。設計團隊通過這樣的安裝布置進一步減少了所需支撐結構的數量，並優化了夾持區域接觸面的質量。新一版的設計確保了夾持點上真空部分的均勻分布，能更有效地夾取圓柱體。
圖01：Materialise Magics中預覽功能顯示所需的最小化支撐 (左)，部分 (右) 顯示無支撐通道。
隨後，Materialise工程團隊流暢化材料厚度過渡區域，從而減少組件的張力線。這一點很重要，因為張力線不僅會對影響組件外觀，還會影響最終零件的機械性能。
通過這種方式最大化減少了組件的總體積和重量。與金屬切割工藝不同，金屬3D列印中未使用的材料大部分可以回收並直接重複使用，直接減少了材料成本。因此，僅部件和支撐結構實際需要的材料才會產生成本。在非關鍵區域與組件的少量支撐和最小化的接觸表面也便於進行列印後的處理。這樣一來，Materialise瑪瑞斯的客戶就能夠輕鬆省時地移除支撐結構。最後就只需要切割組裝螺紋。
與原始3D列印模型相比，這版設計在時間和成本控制上大有優勢：每次構建中的組件數量從28個增加到46個。組件的新幾何形狀能在構建平台上進行更有效的排列，從而也降低了單件價格。
圖02: 夾持器吸取區域的視圖
圖03：針對3D列印優化的夾持器
原始工具、第一個3D列印模型和最終設計三者之間體積和製造成本的比較顯示了設計優化取得的巨大進展：雖然夾持器的初版設計模型體積已經比原始工具體積減少了79%，但經過Materialise優化的夾持器現在只有原始組件體積的6%。Materialise版本的單個零件成本也降低到了150 歐元，夾持器初版設計的生產成本會高出6%。
總而言之，夾持器的例子展示了如何使用增材製造和優化的增材設計來實現更低價、更輕量化且經過功能優化的生產工具。該示例還展示了經過重新設計的工具質量對項目盈利能力的決定性影響。鑒於這些巨大的改進，Materialise瑪瑞斯的客戶決定在未來以優化的3D列印設計製造他們的夾持器。