作为全球知名的胶印机制造商，海德堡印刷机械股份公司产品涵盖高效能印刷机、裁切机和折叠机等。该公司引入了3D打印技术以降低成本、缩短开发周期，现已将3D打印部件应用于批量生产；同时灵活运用Formlabs Fuse系列SLS 3D打印机，将3D打印部件应用于轻型机器人，甚至取代了部分钢材部件，进一步提升了生产效率。
海德堡印刷机械股份公司 (Heidelberger Druckmaschinen AG，以下简称“海德堡公司”) 是全球知名的胶印机制造商，业务遍布170多个国家，全球员工近万人。该公司为整个印刷产业链生产多样化工具和自动化解决方案，产品涵盖高效能印刷机，以及裁切机和折叠机。
大约六年前，海德堡公司为其工作流程注入了新的活力——3D打印技术。起初，他们引入这项技术是为了降低成本、缩短研发周期，从而优化原型制作与产品开发流程。时至今日，海德堡公司已经将3D打印部件应用于批量生产，每年将为大约15种不同应用需要生产数千个部件。
接下来，让我们共同走进海德堡公司，深入了解选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS）3D打印部件如何助力其轻型机器人的应用以及钢材部件替换件制造。
3D技术加速产品开发，优化研发流程
在经历长达15年的产品和应用开发工作后，约阿希姆·克鲁马（音译）（Joachim Krumma）离开海德堡印刷公司，经营了一家增材制造技术咨询公司（CTS-3 GmbH）。他与海德堡公司的研发团队依然保持着紧密的合作关系，这种合作关系也为产品开发以及新应用的批量生产转化提供了坚实的基础。克鲁马表示：“海德堡公司委托我们进行新品开发的相关项目，尤其是那些超出传统生产范畴的组件和装配件的研发。”
海德堡公司的产品具有独特的优势，它们可以直接在现场进行测试，然后根据客户的实时反馈进行及时的调整和改进。正因如此，部分开发工作会选择直接在现场进行。
此外，海德堡公司与德国贝尔姆地区的大型胶印公司Meinders & Elstermann（以下简称“贝尔姆胶印公司”）也建立了深入的合作关系。该公司每年印刷的纸张数量高达1亿至1.2亿张，其印刷车间配备了四台海德堡印刷机，同时印后加工部门还拥有七台折叠机。贝尔姆胶印公司的加工部主管克劳斯·哈利格（音译）（ Klaus Harig）表示：“海德堡公司期望他们所有即将上市的机器都能先在我们的工厂经过严格的测试，并在此进行持续的开发和优化。”
Meinders & Elstermann 是德国贝尔姆一家大型胶印公司。
海德堡的新产品在其工厂进行测试和进一步开发。
“对我们来说，3D打印的速度至关重要。它让我们能够对不断变化的客户需求迅速地作出响应。现在我们可以在一两天之内就开发并生产出新的部件，而在过去，这可能需要耗费数周的时间。正因如此，3D打印技术能够非常好地契合我们的业务需求。”
——增材制造技术咨询公司经营者 克鲁马
值得一提的是，除了显著缩短生产周期以外，节约成本也是3D打印技术一个很重要的优势。在原型制造方面，这一点在原型制造领域体现得尤为明显；此外在定制产品和小批量生产成品部件中也同样有显著效果。克鲁马兴奋地指出：“与传统的生产方式相比，我们的部件制造成本通常可以降低到原来的十分之一甚至二十分之一。”
随着3D打印技术的不断发展，如今3D打印部件在众多领域都有着广泛的应用，比如用于拾放机器人的轻质部件、折叠机的新型组件，甚至是替换原有的钢制机器组件。克鲁马的团队灵活运用Fuse系列SLS 3D打印机，采用（尼龙12粉末）Nylon 12 Powder打造出坚固的刚性部件，或者采用（TPU 90A粉末）TPU 90A Powder制作出柔韧的部件。
海德堡公司将3D 打印部件投入到种类繁多的应用中，包括机器人的轻质部件和原钢制机器组件的替换件。
3D打印轻质部件，减轻机器人重量
作为一款高效的拾放机器人系统，P-Stacker 是该工厂配备最多 3D 打印部件的机器。它能够有效地从折叠机中取出成捆的折叠纸张，并将其放置在托盘上。
P-Stacker 承担着堆叠签名包的艰巨任务，进而减少操作人员的工作量。
“这款机器人可以将托盘堆叠到一米高。根据其运行速度，它每小时最多可放置 1.8 万张纸张。”哈利格介绍道：“在我们使用P-Stacker机器人之前，一名员工每天需要搬运四到六吨的包裹到托盘上，工作强度很大。”
P-Stacker机器人内运用了大量的3D打印部件，结构复杂且功能多样，例如发挥轴移动、轴夹紧、气动抽吸、传感器技术和滑动特性作用的万向节和支架。
对于这类机器人，部件重量是一个至关重要的因素。“部件越重，所承受的机械应力就越大，从而影响部件的疲劳强度。我们系统中的组件密度相当高，这意味着几乎没有空间来容纳大型装配件和部件。”克鲁马解释道。所以，每个部件都需精心设计，以实现性能优化与耐用性的平衡。
重量在机器人技术中起着至关重要的作用，因为它会增加部件所承受的机械应力。
塑料 3D 打印部件比钢制部件更轻，而且可以根据其承受的应力进一步优化设计。不同于机械加工等传统制造工具，3D打印在设计复杂度提升时，并不会带来成本的增加。
这种精细化的设计要求往往会导致部件结构变得复杂、无定形。因为这些结构需根据它们在实际应用中所持续承受的机械应力专门开发。此外，3D打印部件还常常与其他高性能组件，如具有抗摩擦特性的金属轴承或涂有铁氟龙涂层的组件结合使用，以保障其高性能。
机器人内部许多 3D 打印部件结构复杂，并且执行不同的功能。坚固耐用的组件由尼龙12粉末制成。
许多形状复杂的部件，若通过机械加工等传统方式制造，可能成本高昂甚至无法实现。而有些部件由众多装配零件和组件组合而成，其组装、对齐及返工过程均颇为费力。并且这类部件往往更为笨重，密度也相对较高。
此外，有些部件虽结构不甚复杂，但对精度或精细度要求较高。这类部件包括用于防污、遮挡锐边、保护传感器或防止磨损的柔性部件。
使用TPU 90A粉末打印的柔性部件，用于保护传感器和其他臂端工具。
柔性部件作为理想的卡扣组件，通过遮挡尖锐边缘，还能保护操作人员。
“如果采用传统方式来制造这些部件，相较于3D打印技术，所需的工作量将会增加很多。SLS打印技术的优势在于它能够开发和打印出无定形的几何形状，这使我们能够轻松地复制出相当复杂的形状，进而简化了组件和装配件的制作过程。因此，3D打印技术对我们来说非常适用。”
——增材制造技术咨询公司经营者 克鲁马
针对3D打印技术对于机器人的应用，哈利马还举例道，“最近，我们在机器人上加装了一个3D打印部件。这个部件能够有效地防止电缆断裂，从而显著延长机器人的使用寿命。这样一来，我们就能够确保每天的生产不会因停机更换电缆线束而受到影响。”
使用 Fuse 系列 SLS 3D 打印机生产的这种柔性电缆导轨不仅实现了复杂的设计，还为保护电缆免受磨损提供了长期耐用的解决方案。
3D打印钢材替换件，抵御压力和冲击
对印刷业务而言，避免和减少机器停机时间是至关重要的一点。因为任何延误都可能导致交货延误，甚至造成印刷材料过期。尽管海德堡公司拥有广泛的服务网络，能够在24小时内将95%的替换件送达至全球任何目的地，但该团队仍想探索按需3D打印替换件是否能更有效地解决停产部件的问题。
在贝尔姆胶印公司的一台老式折叠机上，克鲁马安装了 3D 打印部件，以取代原来由钢材加工而成的多个部件，如用于固定13公斤重金属滚轴的接头。这些部件位于机器的引擎盖下，长期暴露在油污较重的环境里。在长期运转中，尤其是紧急制动时，整个机器会在瞬间停止运转，这些部件将承受巨大的机械压力和物理冲击。
令人出乎意料的是，这些3D打印的部件不仅能承受如此重的压力和冲击，并且展现了优秀的耐用性。哈利格感叹道：“这些3D部件的耐用性让人惊叹，我自己都难以置信，但我们的折叠机确实到现在都还未更换过任何部件。”
3D 打印替换件由轴承和抗摩擦金属组件组装而成。
这些接头用于固定高速旋转的金属滚轴，每个滚轴重达 13kg。
“这些3D打印部件需要经受持续的压力和较高的工作负荷。在每周五天，两班倒的工作模式下，它们始终稳定运行。如今，这些安装在机器上的部件已经使用了超过两年半的时间，完全超出了我们最初的开发预期。不过，我们一直在密切关注这些部件的性能，所以很早前就确定了它们能够承受持续的压力。”
——增材制造技术咨询公司经营者 克鲁马
部分 3D 打印替换件已经在折叠机上安装了两年半，每周五天两班制运转，长期暴露在油污较重的环境里。
助力印刷业，提升市场竞争力
如今，越来越多的客户倾向于在线阅读，而非选择印刷品，这无疑给印刷业带来了相应的影响。面对这一现状，哈利格坦言：“我们过去拥有的许多订单已不复存在。同时，印刷周期在不断缩短，交货速度要求更快。为了应对这一挑战，我们需要采用新型机器。未来，印刷厂的数量可能会逐步减少，因此，存活下来的印刷厂需要为未来做好周全的准备。”然而，自从海德堡公司引入3D打印技术后，缩短了产品开发时间，并且优化了整体开发流程，从而迅速实现了投资回报。
“3D打印技术日新月异，每年都有显著的进步。显然，原地踏步就意味着落后。倘若我们没有引入这项技术，尤其是Formlabs Fuse系列的SLS 3D打印机，那么开发过程将会变得很漫长。这些机器帮助我们高效地完成大规模的开发流程，让我们可以在短时间内测试、验证或深入挖掘创意，甚至一夜之间制作出所需部件，第二天在客户处进行测试。相较于传统生产方式，采用3D打印技术无疑能更快地实现收益。”
——增材制造技术咨询公司经营者 克鲁马
通过采用3D打印技术，同时与增材制造技术咨询与贝尔姆胶印等专业企业合作，海德堡公司成功提升了产品开发速度，并在瞬息万变的市场中保持竞争力。这也正是Formlabs一贯的宗旨：通过提供精心设计的产品和服务，为客户赋能，助力客户在市场中脱颖而出，实现共赢。
