成本降低 99%：3D 打印如何用 1.05 美元的复合零件取代 110 美元的 CNC 联轴器

从 110 美元到 1.05 美元：当您的机械车间购买 3D 打印机时会发生什么

一位具有零增材制造经验的生产经理用 3D 打印复合部件替换了 CNC 加工的不锈钢联轴器，并连续一周对其进行了压力测试。它再也没有回到布里奇波特。这正是发生的事情，以及您设施中的哪些部分可以效仿。 

主要结果一览

• 零件成本降低 99%：每个联轴器 110 美元 → 1.05 美元
• 连续启动一周后零损坏迹象（~5 年模拟使用寿命）
• 改进的零件几何形状：星形轮廓无法铣削，打印起来很简单
• 与机加工原件相比，现场故障风险更低

3D 打印改变了空气和液体系统的文化

一切开始的部分

Ryan Wenzlick 遇到了一个大多数生产经理都熟知的问题：一个小型、复杂的阀门联轴器的制造是一场噩梦。在 Bridgeport 上不可能切割出星形横截面。相反，他的团队加工了一个近似方形的零件，定期损坏工具，并为每个零件支付了 110 美元。 

Ryan 是 Air &Liquid Systems 的生产经理，该公司是密歇根州的一家 OEM 设备制造商，为通用汽车、特斯拉和福特等客户制造热交换器、污泥清除系统和液体过滤设备。他的团队在引进第一台机器时没有增材制造经验。几周之内，这个 110 美元的联轴器就变成了 1.05 美元的印刷复合部件，比原来的阀门更适合阀门。

我们的零件成本从 110 美元降至 1.05 美元。我们就像，天哪。

– Ryan Wenzlick，空气和液体系统生产经理

瑞安的团队不仅仅衡量了成本并称其为胜利。他们将两个印刷联轴器放入阀门中，并在连续驱动下运行一周，相当于大约五年的正常使用寿命。当他们随后将零件拆开时，没有发现明显的磨损，没有变形，也没有任何类型的故障。 

那次测试改变了一个持怀疑态度的团队。当您不了解增材制造时，默认的假设是打印零件是原型，您将用于装配检查，而不是生产。工作阀门连续一周的机械应力破坏了这一假设。 

工程注释 在评估用于生产的 3D 打印零件时，加速寿命测试（连续驱动、循环负载或高温暴露）比静态强度测量提供更多信息。增材制造的几何自由度通常使设计能够在实际操作条件下（而不仅仅是在拉伸测试中）优于其加工同类产品。

为什么这部分是正确的第一个目标

并非每个机加工零件都适合打印。 Ryan 的联轴器满足了几个标准，使其几乎成为首次生产应用的理想选择：

因子 机加工不锈钢版本 打印复合版本 单位成本 110 美元 1.05 美元（减少 99%） 几何保真度 平方近似（工具受限） 真正的星形轮廓 — 功能改进 刀具磨损 高 — 频繁的立铣刀破损 无 — 消除了操作时间 需要熟练的机械师 无人值守打印 — 无需劳动力 现场故障风险 较高 — 几何折衷 较低 — 实现最佳几何形状 设置和转换 需要装夹、工件夹具 文件重新打开、打印 — 分钟与小时

几何约束是决定性因素。由于几何形状复杂而加工成本昂贵的零件几乎总是打印的有力候选者，因为难以铣削的几何约束通常使打印变得容易。击败立铣刀的内部通道、星形轮廓、有机形式和薄壁几何形状是增材制造的本土领域。

您应该首先瞄准商店中的哪些部分？

根据空气和液体系统的经验以及类似 OEM 和生产环境中的模式，这些零件类别始终为早期增材制造采用提供最强的投资回报案例：

• 复杂的小型机加工部件： 具有内部轮廓、非标准横截面或几何形状的零件，需要多种机器设置才能生产。本案例研究中的耦合是原型。
• 预制板组件： 涉及切割板材、钻孔，然后焊接或紧固到支架或结构安装件中的任何操作。
• 固定夹和硬件： 批量购买或一次性加工的夹子、夹具和固定装置。
• 低压流体配件： 不需要全金属密封的系统中的阀门配件、接头和连接器。复合材料可处理各种流体环境。
• 工具、夹具和固定装置： 装配夹具、钻孔导向器和检查辅助工具。非产品工具不需要验证测试。
• 小批量定制零件： 订购数量为 1-50 件的任何零件，其中设置成本、最小起订量或交货时间都会使传统采购效率低下。

学习曲线：“零知识”问题

有一点值得直接解决：Ryan 的团队在第一台机器到达之前没有增材制造经验。员工中没有人使用过 CAD 进行 3D 打印。没有人了解复合打印参数或如何设计 FFF 沉积部件。 

这很常见。大多数评估工业 3D 打印的生产经理都持有相同的假设：在打印任何有用的东西之前，我们需要雇用某人，或培训数月，或聘请顾问。这个假设值得挑战，Ryan 的团队在拆箱之前直接前往 Markforged University（一个免费的增材制造在线培训项目）进行了测试。

教程非常完美。一切都恰到好处。对于对这方面知识为零的人来说，我们经历了这一切，就像，好吧，让我们打开这台机器的包装。

– Ryan Wenzlick，空气和液体系统生产经理

Ryan 所描述的是工业增材制造的真正设计理念：该系统需要由生产人员操作，而不仅仅是设计产品的人员。机器和软件工作流程围绕制造应用程序构建——扫描零件、上传文件、设置支撑结构、打印。专业知识是通过使用而不是课堂时间积累的。 

也就是说，真正的增材设计概念可以显着改善结果：相对于打印层的方向会影响机械性能；填充图案和密度影响重量和强度；复合增强层放置在它们将受载荷的地方。这些都不难学，但它们值得在设计生产零件之前而不是之后理解。

文化变革：从“我们可以吗？”开始到“下一步是什么？”

Ryan 描述的这种转变，从谨慎的验证测试到团队在现场识别打印候选者，是大多数生产环境在评估增材制造时低估的结果。投资回报率计算器捕获零件成本和工时。它没有体现出对制造业有不同看法的劳动力所产生的复合效应。 

在 Air &Liquid，文化转变体现在几个具体方面：

• 部分审核已更改。 而不是问“我们如何加工这个？”工程师们开始询问几何形状是否值得加工。一直以某种方式制造的零件得到了重新考虑。
• 机器开始承重。 瑞安将打印机描述为“几乎不间断”并且“总是赚钱”。这与在研发项目之间闲置的机器的操作姿势不同。
• 小型企业具有同等竞争力。 瑞安明确地阐述了这一点：“我们正在做小企业，我们也在做所有大企业也在做的事情。”对于与大型工厂竞争的 OEM 制造商来说，按需定制组件生产是一个有意义的竞争优势。 

对于生产经理来说，在评估您的第一个添加剂应用时要问的最重要的问题不是“它可以取代什么？”这是“我们目前生产的哪些产品需要破坏工具，或者需要熟练的机械师在那里站上几个小时？”这是你的第一个目标。验证绩效，证明经济性，文化转变往往会自行发生。

空气和液体系统实际打印了什么

除了星形轮廓耦合之外，瑞安的团队还描述了在其采用曲线期间印刷的其他几个部分。每一个都遵循相同的逻辑：一个昂贵、缓慢或难以以传统方式制造的零件，而增材制造则不受这些限制。 

板组件： 最初是通过订购单独的板、将其钻孔、加工连接件并将组件焊接在一起来生产的。 Ryan 的团队用一次打印操作完全取代了它。没有固定装置。无需焊接认证。没有超出打印时间的交货时间。 

固定夹： 以前从供应商批量订购或在车床上一次性制造的小型硬件。印刷版本被描述为“更坚固”，因为印刷可以产生角撑板、圆角根部和优化的横截面，如果采用传统方法，这会增加加工操作和成本。

制作团队常见问题

3D 打印零件实际上可以取代生产中 CNC 加工的金属部件吗？在许多工厂车间应用中，是的。关键是应用选择。具有复杂几何形状、适度负载要求且没有极端温度或化学品暴露的零件是强有力的候选者。 Air &Liquid Systems 在连续驱动下运行了印刷复合材料联轴器一周（相当于大约五年的使用时间），没有发现任何损坏。打印版本的性能也优于机加工的原始版本，因为它实现了铣削无法生产的设计星形轮廓几何形状。 

在这种情况下“复合”是什么意思？这只是标准 FDM 塑料吗？ 

不会。工业复合材料 3D 打印在打印过程中将连续的增强纤维（碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉尔纤维）嵌入热塑性基体中。其结果是，零件的方向强度特性更像是层压复合材料，而不是热塑性塑料。对于机械应用（支架、配件、承重夹具），这种区别非常重要。 

需要多长时间才能学会打印有用的工厂车间零件？ 

Ryan Wenzlick 在完成 Markforged 大学之前的增材制造经验为零，不久之后他的团队就开始打印生产零件。对于简单的更换零件（机加工部件的几何形状更换），CAD 和切片学习曲线需要几天到几周而不是几个月来衡量。 

在投入生产之前验证打印零件的正确方法是什么？ 

对于结构或机械应用，加速寿命测试比单独的静态强度测试提供更多信息。以加速速率模拟实际负载条件（驱动周期、振动、压力、温度）。对于空气和液体耦合，连续驱动一周（代表约 5 年的服务）是验证门。 

生产量达到多少时，3D 打印在经济上不再有意义？ 

对于简单几何形状的零件，增材制造通常在每年数百到数千个零件上变得不那么具有成本竞争力，而对于加工成本较高的复杂零件，增材制造在产量较高时仍然具有竞争力。打印多种 SKU 的各种中低批量零件的工厂可以持续保持高利用率和良好的经济效益。

工厂团队的底线

Ryan Wenzlick 在 Air &Liquid Systems 的经历并不罕见，但却很有启发性。他所遵循的路径（识别令人痛苦的加工零件 → 严格验证性能 → 扩展到其他候选零件 → 持续运行）在大多数 OEM 或生产环境中都是可以复制的。 

如果该部件以任何数量运行，仅联轴器的经济性（110 至 1.05 美元）就足以证明大多数设施中的设备是合理的。但更大的价值在于操作状态：连续运行的机器、以不同方式思考制造的团队，以及生产传统加工根本无法实现的几何形状零件的能力。 

Ryan 的结束语值得从字面上理解：“没有 Markforged 的我们很难想象。”这不是一种营销情绪。这就是增材制造从实验转向基础设施时的感觉。

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