現代制造理論、工具和最佳實踐側重于如何以較低的單位成本制造數千或數百萬個相同的零件或產品。定制和小批量生產需要一套完全不同的方法，制造商在嘗試調整大規(guī)模生產系統(tǒng)以適應時面臨著獨特的挑戰(zhàn)。
然而，由于制造方法和材料的快速發(fā)展，現在有多種技術可以快速、經濟高效地制造這些定制和小批量的最終用途零件和產品。
本指南概述了不同的小批量制造方案，以及用于小批量最終用途零件生產的技術和解決方案。
什么是小批量生產？
小批量制造通常是指生產十到數萬個零件的生產運行。
如今，大多數傳統(tǒng)的制造方法（如成型或成型）都基于大規(guī)模生產的概念：制造大量相同的商品。雖然這些技術對于大批量生產（超過 10,000 個零件）來說非常具有成本效益，但它們需要標準化、昂貴的機械和工具，很少允許對產品進行修改。
等大規(guī)模生產過程的模具用于注塑成型很容易花費 10,000+美元，并增加數周或數月的生產時間。通過大規(guī)模生產，制造商可以通過大批量訂單來抵消這些高昂的前期資本支出，因為當成本分布在數千個零件上時，每個零件的成本就會降低。大規(guī)模制造過程旨在大量生產相同的零件，限制了經濟地制造專業(yè)或高度定制零件的能力。
相比之下，基于獨特規(guī)格的物品制造，也稱為定制制造或多品種小批量 （HMLV） 制造，傳統(tǒng)上是在小作坊中手動進行的。由于體力勞動比例高，產量低，這導致定制產品的每件零件成本更高。出于同樣的原因，創(chuàng)造大量單獨定制的商品，稱為大規(guī)模定制，在經濟上很少可行。
在過去的幾十年里，適合小批量生產的制造方法得到了快速發(fā)展。增材制造（3D 打印）、CNC 加工和快速模具等技術為小批量生產、定制制造（多品種小批量制造）和大規(guī)模定制提供了獨特的優(yōu)勢。
小批量生產的這些好處包括：
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降低成本 ：消除需要抵消最低訂單的過高模具成本，減少市場準入壁壘，并鼓勵創(chuàng)新。
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速度 ：縮短開發(fā)時間，將長達數月的生產周期縮短到幾天或幾周，以擊敗競爭對手進入市場。
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靈活性 ：解決制造挑戰(zhàn)，響應客戶反饋，快速迭代產品，并實施設計變更，所有這些都可以快速完成，而且成本過高。
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Customization定制：為客戶提供定制服務，并創(chuàng)建具有前所未有的設計自由度的產品，包括使用有機、晶格或復雜形狀的復雜部件，而無需額外費用。
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控制：通過本地按需生產收緊供應鏈并縮短交貨時間，并將零件或子組件的庫存保持在最低限度，以快速滿足不斷變化的業(yè)務需求。
小批量生產方案
對創(chuàng)新、提高質量和降低成本的追求不斷給制造商帶來壓力，因為他們尋求保持競爭力并實現利潤最大化。從彌合原型設計和批量生產之間的差距到減少供應鏈瓶頸，讓我們來看看各種小批量生產場景。
定制
如今，客戶正在花費更多的時間和金錢來尋找滿足其個性化需求和? 要求的產品。為了滿足需求，需要更多個性化、精心策劃的產品和體驗選擇。小批量制造可以幫助公司擴展個性化產品，以獲得大眾市場機會，而無需投資昂貴的工具。
企業(yè)可以重新思考產品的制造方式，并探索新的商業(yè)模式，使其更接近個人客戶的需求，例如大規(guī)模定制。
孩之寶自拍系列提供了第一款個性化、大規(guī)模定制的可動人偶。
產品創(chuàng)新
借助 3D 打印等創(chuàng)新工具，設計師可以突破設計復雜性的界限，優(yōu)化結構并定制零件，而無需額外費用，以開發(fā)傳統(tǒng)方法難以制造的獨特產品。
樹脂 3D 打印機 允許您創(chuàng)建復雜的形狀和零件，具有懸垂、微通道和有機形狀等特征，這些特征使用傳統(tǒng)制造方法成本高昂甚至無法生產。這為整合多部件組件、減輕重量、減輕薄弱接頭和縮短裝配時間提供了機會，為設計和工程提供了新的可能性。
New Balance 發(fā)布了一款配備 3D 打印鞋墊的限量版高性能運動鞋。
橋梁制造
橋梁制造是產品開發(fā)過程中的一個階段，它彌合了原型設計和生產之間的差距。各行各業(yè)的企業(yè)都可以利用小批量生產，在過渡到大規(guī)模生產之前快速、經濟地生產小批量零件。他們可以在投入昂貴的工具進行大規(guī)模生產之前，通過試運行進行產品測試、售前或市場驗證來降低大規(guī)模生產風險。
Tension Square 生產一種具有3D打印功能的創(chuàng)新醫(yī)療設備。
供應鏈彈性
全球供應鏈瓶頸增加了交貨時間，對新產品上市時間、客戶滿意度和整體競爭優(yōu)勢構成了重大威脅。小批量制造工具可用于臨時生產，以便在短缺時期快速、經濟地生產小批量生產。企業(yè)可以減少對第三方供應商的依賴，抵御物流中斷和地緣政治問題，并通過在內部引入制造能力來快速應對市場變化。
3D 打印 COVID-19測試拭子為應對全球大流行而生產
售后零件
售后市場制造商創(chuàng)建最終用途產品，這些產品作為原始設備制造商 （OEM） 現有產品的組件或附加組件運行。對于這些應用，在推出新的創(chuàng)新產品的同時跟上OEM的產品更新是一項重大挑戰(zhàn)。
通過消除工具，小批量制造帶來了在設計和生產中按需調整售后組件所需的敏捷性。售后市場公司可以構建復雜的幾何形狀，以提高產品性能或為客戶量身定制產品。小批量生產有助于最大限度地減少庫存，并通過原始設備制造商的更新確保持續(xù)的兼容性。
Battle Beaver Customs 的 Playstation 5 控制器帶有 3D 打印內部零件
備件
當 OEM 停止生產特定產品或型號時，他們必須繼續(xù)庫存數千個零件，以服務擁有舊產品并需要更換或維修的客戶。如果原始設備制造商沒有制造和存儲足夠的這些備件，那么仍在使用這些停產型號的大量客戶往往沒有解決方案。原始設備制造商很難準確計算出要存儲多少零件——如果他們高估了，他們就必須處理浪費和存儲問題，如果他們低估了，買家就會心懷不滿。
利用 3D 打印等技術在內部生產備件，制造商可以從實物庫存轉變?yōu)閿底謳齑?。僅存儲 CAD 模型以按需生產零件并更換丟失或損壞的物品。
汽車供應商博澤一直在評估3D打印備件的生產
小批量生產技術
增材制造（3D打印）
幾十年來，3D打印在 原型制作和產品開發(fā)中無處不在。現在，這種成熟的技術正在制造業(yè)中得到廣泛應用。在產品開發(fā)過程中，制造商已經在利用 3D 打印的靈活性來生產內部工具，例如夾具、固定裝置和其他制造輔助工具，甚至是快速工具 ，例如用于注塑成型或熱成型的模具。
機械、材料和軟件的最新進展為生產高精度、功能性的 3D 打印提供了機會，這些 3D 打印可以代替最終用途部件（出售給最終客戶并由最終客戶使用的部件），使企業(yè)能夠將創(chuàng)新產品推向市場，并使中小型制造變得觸手可及。
3D打印機最常用于生產塑料零件 - 金屬3D打印機也可以使用，但成本要高得多。有許多不同類型的3D打印機 ，生產塑料零件的最常見工藝是： 選擇性激光燒結 （SLS）、 , 立體光刻 （SLA） 和熔融沉積成型（FDM）。?
由于 3D 打印機不需要任何工具和最短的設置時間即可完成新設計，因此與傳統(tǒng)制造工藝相比，生產定制最終用途零件的成本可以忽略不計。
增材制造工藝通常比通常用于大規(guī)模生產的制造工藝具有更長的周期時間，并且勞動強度更高，但與傳統(tǒng)的手工小批量生產和制造工藝相比，它們代表了生產力的重大飛躍。隨著3D打印技術的進步，每個零件的成本將繼續(xù)下降，從而開辟更廣泛的中小批量應用。
大多數傳統(tǒng)的制造工藝需要昂貴的工業(yè)機械和熟練的操作員，迫使許多公司將生產外包給專用設施.3D。 然而，3D打印使內部生產成為可能。用于制造塑料零件的緊湊型桌面或臺式 3D 打印系統(tǒng) 價格實惠，需要很少的空間，無需特殊技能，使專業(yè)工程師、設計師和制造商能夠將迭代和生產周期從幾個月縮短到幾天。
制造工藝
設計： 在 CAD 中設計模型，或基于現有模型的 3D 掃描、MRI 掃描或口內掃描創(chuàng)建模型。
打印設置：打印 準備軟件用于在打印機的構建體積內定向和布局模型，添加支撐結構（如果需要），以及將支持的模型切成多個圖層。
打?。?選擇正確的技術和材料，然后在 3D 打印機上 3D 打印零件。
后處理： 打印完成后，從打印機中取出零件，清潔或清洗，后固化（取決于技術），并移除支撐結構（如果適用）。零件可以涂漆、涂覆或使用其他精加工技術進行后處理。
CNC刀具
計算機數控 （CNC） 工具是減材制造工藝。它們從塑料、金屬或其他材料的實心塊、棒材或棒材開始，這些材料是通過切割、鏜孔、鉆孔和研磨去除材料來成型的。
CNC刀具包括CNC加工，它通過旋轉工具和固定零件（銑削）或使用固定工具（車床）的旋轉零件去除材料。激光切割機使用激光高精度地雕刻或切割各種材料。水射流切割機使用混合了磨料和高壓的水來切割幾乎任何材料。CNC 銑床和車床可以有多個軸，這使它們能夠管理更復雜的設計。激光和水射流切割機更適合平面零件。
CNC 工具可以用塑料、軟金屬、硬金屬（工業(yè)機器）、木材、亞克力、石材、玻璃和復合材料成型零件。它們是為各行各業(yè)生產定制或小批量最終用途零件、結構零件和工具的理想選擇。
與增材制造工具相比，CNC 工具的設置和操作更加復雜，而某些材料和設計可能需要特殊的工具、處理、定位和加工。與增材制造工藝相比，這使得一次性零件的成本更高，更適合小批量生產。
機加工非常適合需要嚴格公差和難以成型的幾何形狀的小批量制造應用，例如皮帶輪、齒輪和襯套。CNC 加工具有低到中等的設置成本，并且可以用各種材料在較短的交貨時間內生產高質量的組件。
與3D打印相比，加工工藝具有更多的零件幾何形狀限制。在機械加工中，每個零件的成本隨著零件復雜性的增加而增加。多個零件面上的底切、貫穿和特征都會增加成本。加工過程需要留出刀具通道，并且某些幾何形狀（如彎曲的內部通道）很難或不可能使用傳統(tǒng)的減材方法生產。
制造工藝
設計： 在 CAD 中設計模型，或基于現有模型的 3D 掃描、MRI 掃描或口內掃描創(chuàng)建模型。
作業(yè)設置： CNC 機床需要生成和驗證刀具路徑（CAD 到 CAM）的中間步驟。刀具路徑控制切削刀具的移動位置、速度以及任何刀具更換。
加工： 刀具路徑被發(fā)送到開始給定減材工藝的機床。根據最終產品所需的形狀，可能需要將工件設置在新的位置，以便工具頭可以到達新的區(qū)域。
后處理：制造后，零件經過清潔和去毛刺、修整，并可以使用其他精加工技術進行進一步后處理。
快速模具
快速模具是一組用于快速、低成本和高效地制造模具的技術，用于注塑成型、熱成型或鑄造等傳統(tǒng)制造工藝，以在短時間內或小批量制造零件。
傳統(tǒng)模具最常使用機械加工和金屬鑄造等技術由耐用金屬制成。然而，這些工藝成本高昂，更適合大規(guī)模生產周期。當用于模具迭代或生產僅用于制造小批量零件的模具時，成本會上升，生產時間會大大延長。
將快速工具整合到產品開發(fā)流程中，使制造商能夠在過渡到大規(guī)模生產之前驗證設計和材料選擇，從而加速產品開發(fā)、快速迭代并將更好的產品推向市場?？焖倌＞呤构こ處熌軌蚴褂脤嶋H的生產級材料來評估零件在實際應用中的性能，并生產有限數量的產品進行測試和 驗證測試 。在投資昂貴的生產工具之前，快速工具還可以幫助排除制造過程的故障。
快速模具還提供了使用傳統(tǒng)制造工藝生產定制或有限系列最終用途零件的方法，而使用傳統(tǒng)模具則非常昂貴。這使制造商能夠測試新產品的市場，提供更廣泛的產品，或根據客戶需求定制零件。
快速模具可用于支持各種傳統(tǒng)制造工藝，以生產塑料、硅膠或橡膠部件、復合材料，甚至金屬部件。
制造工藝
設計： 在 CAD 軟件中設計模具、圖案、沖?；蛑鞴ぞ摺?/span>
生產模具： 使用 3D 打印機或 CNC 工具制造模具，或根據主模型創(chuàng)建模具或工具。
制造： 將快速模具插入您的機器或在您的工作流程中使用該模式并執(zhí)行生產過程。
后處理： 執(zhí)行任何必要的后處理，以實現最終用途零件的質量光潔度。
小批量生產技術比較
| 3D打印????????????????? |
CNC刀具 | 快速模具 | |
|---|---|---|---|
技術?????????????????????? |
選擇性激光燒結（SLS） 立體光刻 （SLA） 熔融沉積成型（FDM） 金屬3D打打印 ?????? |
CNC加工（銑床或車床） 激光切割 水射流切割 |
注塑成型 熱成型 包覆成型和嵌件成型 壓縮成型 鑄造 鈑金成型 |
| 材料 |
塑料、金屬（限量）、硅膠和橡膠類零件 |
塑料、金屬、木材、亞克力、石材、玻璃和復合材料 |
塑料、金屬、復合材料、硅膠和橡膠部件 |
| 形式 |
高自由度 |
中等自由度 |
中等自由度 |
| 最終零件的交貨時間（內部） | 一到兩天 |
一天到一周 |
一天到一周 |
| 周期時間 |
|
幾秒鐘到幾個小時，具體取決于工藝和材料 |
|
| 設置成本 | $ |
$$ |
$-$$ |
| 單件成本 | $$-$$$ |
$$$$ |
$$ |
內部生產與合同制造
雖然制造業(yè)傳統(tǒng)上涉及合同制造商和長鏈供應商，但小批量制造工具也允許公司在內部進行生產。
當您偶爾只需要幾個零件時，以及對于大型零件或需要非標準材料的零件，建議將生產外包給服務機構或實驗室。 Hubs 、 Protolabs 、 Fictiv 或當地服務機構等服務提供商按需提供制造和小批量生產服務。這些局通常有多種可用的技術，包括增材和減材工藝，以及快速模具。他們還可以提供各種材料的建議，并提供增值服務，如設計或高級精加工。
外包給服務提供商的主要缺點是成本和交貨時間。與傳統(tǒng)制造方法相比，小批量制造的最大好處之一是其速度，當外包零件需要一周或數周才能到達時，速度會迅速降低。外包小批量零件的制造通常也非常昂貴。根據零件的數量和體積，企業(yè)通常只需投資 3D 打印機并在內部打印即可在幾個月內實現收支平衡。
借助臺式和臺式 3D 打印機，公司可以根據其業(yè)務需求支付同樣多的容量，并隨著需求的增長通過增加額外的設備來擴大生產規(guī)模。通過使用多臺 3D 打印機，您還可以靈活地同時打印不同材料的零件。服務機構仍然可以為大型零件或非常規(guī)材料補充這種靈活的工作流程。
開始小批量生產
增材制造擺脫了傳統(tǒng)方法的模具限制，是一種強大的解決方案，可以在最短的交貨時間內生產小批量的最終用途零件。內部3D打印使企業(yè)能夠控制其制造，從而減少生產時間、成本和風險。
粵公網安備 44011102003066號