Современная производственная теория, инструменты и передовой опыт сосредоточены на том, как сделать тысячи или миллионы одинаковых деталей или продуктов с низкой стоимостью за единицу. Индивидуальное и малосерийное производство требует совершенно иных методов, и производители сталкиваются с уникальными проблемами, пытаясь адаптировать системы массового производства под них.
Однако благодаря быстрому развитию методов производства и материалов сегодня существует множество технологий, позволяющих быстро и экономически эффективно изготавливать эти заказные и малосерийные детали и изделия конечного потребления.
В данном руководстве представлен обзор различных сценариев малосерийного производства, а также технологий и решений для малосерийного производства деталей конечного использования.
Что такое малосерийное производство?
Под малосерийным производством обычно подразумевается производство от десяти до десятков тысяч деталей.
Сегодня большинство традиционных методов производства, таких как литье или формовка, основаны на концепции массового производства: изготовление большого количества одинаковых изделий. Хотя эти методы чрезвычайно экономичны для крупносерийного производства (более 10 000 деталей), они требуют стандартизации, дорогостоящего оборудования и оснастки, которые редко позволяют модифицировать продукцию.
Оснастка для массового производства, например, литья под давлением, может стоить более 10 000 долларов и увеличивать сроки производства на несколько недель или месяцев. При массовом производстве производители могут компенсировать эти большие первоначальные капитальные затраты за счет больших объемов заказов, поскольку стоимость одной детали снижается, когда затраты распределяются между тысячами деталей. Процессы массового производства ориентированы на производство идентичных деталей в больших количествах, что ограничивает возможность экономичного производства специализированных или высокоиндивидуализированных изделий.
В отличие от этого, изготовление изделий по уникальным спецификациям, также известное как производство на заказ или крупносерийное малосерийное производство (HMLW), традиционно выполняется вручную в небольших мастерских. Из-за высокой доли ручного труда и меньшей производительности это приводит к более высокой стоимости каждой детали для заказных изделий. По тем же причинам создание большого количества индивидуально изготовленных товаров, называемое массовой персонализацией, редко было экономически целесообразным.
За последние несколько десятилетий наблюдается стремительное развитие методов производства, пригодных для малосерийного производства. Такие технологии, как аддитивное производство (3D-печать), механическая обработка с ЧПУ и быстрое изготовление инструментов, предлагают уникальные преимущества для малосерийного производства, производства на заказ и массового изготовления на заказ.
К преимуществам малосерийного производства относятся:
Сценарии малосерийного производства
Стремление к инновациям, повышению качества и снижению затрат постоянно давит на производителей, поскольку они стремятся сохранить конкурентоспособность и максимизировать прибыль. Давайте рассмотрим различные сценарии малосерийного производства - от преодоления разрыва между прототипированием и массовым производством до сокращения узких мест в цепочке поставок.
Персонализация
Современные клиенты тратят больше времени и денег на поиск товаров, которые отвечают их индивидуальным потребностям и запросам. Для удовлетворения спроса необходимо больше вариантов персонализированных, курируемых продуктов и впечатлений. Малосерийное производство может помочь компаниям масштабировать персонализированные продукты для массового рынка без необходимости инвестировать в дорогостоящую оснастку.
Предприятия могут переосмыслить способ производства продукции и изучить новые бизнес-модели, которые приблизят их к индивидуальным потребностям клиентов, например, массовая персонализация.
Hasbro Selfie Series предлагает первые персонализированные фигурки, изготовленные по индивидуальному заказу.
Инновации в производстве продукции
С помощью таких инновационных инструментов, как 3D-печать, дизайнеры могут расширить границы сложности конструкции, оптимизировать структуры и адаптировать детали без дополнительных затрат для разработки уникальных продуктов, которые трудно изготовить традиционными методами.
3D-принтеры позволяют создавать сложные формы и детали с такими элементами, как выступы, микроканалы и органические формы, которые было бы дорого или даже невозможно изготовить традиционными методами. Это дает возможность объединять сборки из нескольких частей, уменьшая вес, ослабляя слабые соединения и сокращая время сборки, открывая новые возможности для дизайна и проектирования.
Компания New Balance выпустила ограниченную серию высокопроизводительных кроссовок с 3D-печатной стелькой.
Производство мостов
Мостовое производство - это этап в процессе разработки продукции, преодолевающий разрыв между прототипированием и производством. Предприятия всех отраслей могут использовать малосерийное производство для быстрого и недорогого изготовления небольших партий деталей перед переходом к массовому производству. Они могут снизить риски массового производства, используя опытные партии для тестирования продукции, предпродажной подготовки или проверки рынка, прежде чем приступить к изготовлению дорогостоящей оснастки для массового производства.
Tension Square производит инновационное медицинское устройство с помощью 3D-печати.
Устойчивость цепи поставок
Узкие места в глобальной цепи поставок увеличивают время выполнения заказа и представляют собой серьезную угрозу для сроков вывода новой продукции на рынок, удовлетворенности клиентов и общих конкурентных преимуществ. Инструменты малосерийного производства можно использовать для временного производства, чтобы быстро и недорого выпускать короткие партии продукции во время дефицита. Перенос производственных мощностей на собственные предприятия позволяет снизить зависимость от сторонних поставщиков, противостоять сбоям в логистике и геополитическим проблемам, а также быстро реагировать на изменения рынка.
Напечатанные на SLA 3D-принтере Formlabs назальные палочки для взятия анализов на COVID-19, изготовленные в глобальную пандемию.
Запчасти для вторичного рынка
Производители запчастей для вторичного рынка создают конечные продукты, которые работают как компоненты или дополнения к существующим продуктам от производителя оригинального оборудования (OEM). Для этих приложений внедрение новых инновационных продуктов при одновременном обновлении продукции OEM является серьезной задачей.
Благодаря отсутствию оснастки, малосерийное производство обеспечивает гибкость, необходимую для адаптации компонентов вторичного рынка по требованию, как при проектировании, так и при производстве. Компании вторичного рынка могут создавать сложные геометрические формы для улучшения характеристик продукции или адаптировать продукцию под своих клиентов. Малосерийное производство помогает минимизировать складские запасы и обеспечить постоянную совместимость через обновления производителя оригинального оборудования.
Контроллеры Playstation 5 от Battle Beaver Customs с напечатанными деталями.
Запасные части
Когда OEM-производитель прекращает производство определенного продукта или модели, он должен продолжать хранить тысячи деталей для обслуживания клиентов, у которых есть устаревшие продукты и которые нуждаются в замене или ремонте. Если OEM не создает и не хранит достаточное количество таких запасных частей, большие группы клиентов, которые все еще используют снятые с производства модели, часто остаются без решений. Производителю комплектующих сложно точно рассчитать, сколько деталей нужно хранить - если они завышают количество, им приходится решать проблемы с отходами и хранением, а если занижают, покупатели становятся недовольными.
Использование таких технологий, как 3D-печать, для производства запасных частей собственными силами позволяет производителям перейти от физического к цифровому учету. Для производства деталей по требованию и замены утерянного или поврежденного изделия хранятся только модели CAD.
Поставщик автомобилей Brose оценил возможности производства запчастей с помощью 3D-печати.
Технологии для малосерийного производства
Аддитивное производство (3D-печать)
3D-печать повсеместно используется для создания прототипов и разработки продуктов уже несколько десятилетий. Теперь эта развивающаяся технология начинает широко использоваться в производстве. В процессе разработки продукции производители уже используют гибкость 3D-печати для производства внутренних инструментов, таких как оснастка, приспособления и другие вспомогательные средства производства, или даже быстрой оснастки, такой как формы для литья под давлением или термоформования.
Последние достижения в области оборудования, материалов и программного обеспечения открывают возможности для производства высокоточных, функциональных 3D-моделей, которые могут заменить конечные детали – а именно те детали, которые продаются и используются конечным потребителем, что позволяет предприятиям выводить инновационные продукты на рынок и делает доступным мелкое и среднее производство.
3D-принтеры чаще всего используются для производства пластиковых деталей, но и 3D-принтеры, печатающие металлом также доступны, но стоят значительно дороже. Существует множество различных типов 3D-принтеров, наиболее распространенными процессами для производства деталей являются: SLS, SLA и FDM 3D-печати.
Рукоятка для бритвы Gillette, напечатанная с помощью технологии SLA для массовой персонализации.
Боковое подруливающее устройство для насоса реактивного катера, созданное при помощи SLS 3D-печати с применением Nylon 12 (компания JetBoatPilot). Детали послепродажного обслуживания.
Корпус для системы управления транспортного средства IBL Hydronic, напечатанные при помощи SLS 3D-печати и порошка Nylon 11. Мелкосерийное производство.
Поскольку 3D-принтеры не требуют оснастки и занимают минимальное время на настройку для создания нового дизайна, стоимость производства конечной детали на заказ ничтожно мала по сравнению с традиционными производственными процессами.
Процессы аддитивного производства обычно имеют более длительный цикл и более трудоемки, чем производственные процессы, обычно используемые для массового производства, но они представляют собой значительный скачок в производительности по сравнению с традиционными процессами ручного малосерийного производства и изготовления деталей. По мере совершенствования технологий 3D-печати стоимость одной детали будет продолжать снижаться, открывая еще более широкий спектр мало- и среднесерийных применений.
Большинство традиционных производственных процессов требуют дорогостоящего промышленного оборудования и квалифицированных операторов, что вынуждает многие компании передавать производство на аутсорсинг в специализированные предприятия. 3D-печать, однако, позволяет производить продукцию собственными силами. Компактные системы 3D-печати для создания таких деталей доступны по цене, не требуют много места и специальных навыков, что позволяет профессиональным инженерам, дизайнерам и производителям ускорить итерационный и производственный циклы с нескольких месяцев до нескольких дней.
Производственный процесс
Дизайн: Проектирование модели в CAD или создание модели на основе 3D-сканирования существующей модели, снимка МРТ или интраорального сканирования.
Настройка печати: Программное обеспечение для подготовки к печати используется для ориентации и компоновки моделей в объеме сборки принтера, добавления поддерживающих структур (при необходимости) и нарезки поддерживаемой модели на слои.
Печать: Выбор подходящей технологии, материала и сама 3D-печать.
Пост-обработка: После завершения печати детали извлекаются из принтера, очищаются или промываются, подвергаются пост-отверждению (в зависимости от технологии), удаляются поддерживающие структуры (если это необходимо). Детали могут быть окрашены, покрыты лаком или подвергнуты дальнейшей обработке другими методами.
Инструменты с ЧПУ
Инструменты с числовым программным управлением (ЧПУ) - это субтрактивные производственные процессы. Они начинаются с твердых блоков, прутков или стержней из пластика, металла или других материалов, которым придается форма путем удаления материала посредством резки, растачивания, сверления и шлифования.
Инструменты с ЧПУ включают обработку с ЧПУ, при которой материал удаляется либо вращающимся инструментом и неподвижной деталью (фрезерование), либо вращающейся деталью с неподвижным инструментом (токарный станок). Лазерные резаки используют лазер для гравировки или резки широкого спектра материалов с высокой точностью. Гидроабразивные станки используют воду, смешанную с абразивом, и высокое давление для резки практически любого материала. Фрезерные и токарные станки с ЧПУ могут иметь несколько осей, что позволяет им справляться с более сложными конструкциями. Лазерные и водоструйные резаки больше подходят для плоских деталей.
Инструменты с ЧПУ могут формировать детали из пластмасс, мягких металлов, твердых металлов (промышленные машины), дерева, акрила, камня, стекла и композитов. Они идеально подходят для производства нестандартных или малосерийных деталей конечного использования, конструкционных деталей и оснастки для широкого спектра отраслей промышленности.
По сравнению с инструментами аддитивного производства, инструменты с ЧПУ сложнее в настройке и эксплуатации, а некоторые материалы и конструкции могут потребовать специальной оснастки, перемещения, позиционирования и обработки. Это делает их дорогостоящими для единичных деталей по сравнению с аддитивными процессами и более подходящими для мелкосерийного производства.
Механическая обработка идеально подходит для малосерийного производства, требующего жестких допусков и геометрии, которую трудно формовать, например, шкивы, шестерни и втулки. Механическая обработка с ЧПУ имеет низкие или умеренные затраты на установку и может производить высококачественные компоненты с коротким сроком изготовления из широкого спектра материалов.
Процессы механической обработки имеют больше ограничений по геометрии деталей, чем 3D-печать. При механической обработке стоимость одной детали увеличивается по мере усложнения детали. Подрезы, проходные отверстия и элементы на нескольких поверхностях детали - все это увеличивает затраты. Процессы механической обработки требуют припусков для доступа инструмента, а некоторые геометрические формы, например изогнутые внутренние каналы, трудно или невозможно изготовить традиционными субтрактивными методами.
Производственный процесс
Дизайн: Проектирование модели в САПР или создание модели на основе 3D-сканирования существующей модели, снимка МРТ или интраорального сканирования.
Настройка задания: Станки с ЧПУ требуют промежуточного этапа создания и утверждения траекторий инструментов (CAD - CAM). Траектории инструментов определяют, куда движутся режущие инструменты, с какой скоростью, а также любую смену инструмента.
Обработка: Траектории инструментов отправляются на станок, где начинается данный субтрактивный процесс. В зависимости от желаемой формы конечного продукта, заготовку может потребоваться установить в новое положение, чтобы головка инструмента могла достичь новых областей.
Пост-обработка: После изготовления деталь очищается и зачищается, обрезается и может быть подвергнута дальнейшей обработке с помощью других методов отделки.
Быстрая оснастка
Быстрая оснастка - это группа методов, используемых для быстрого, недорогого и эффективного изготовления оснастки для традиционных производственных процессов, таких как литье под давлением, термоформование или литье, для создания деталей в короткие сроки или в меньших количествах.
Обычная оснастка чаще всего изготавливается из прочных металлов с использованием таких технологий, как механическая обработка и литье металлов. Однако эти процессы являются дорогостоящими и лучше подходят для крупномасштабных производственных циклов. При использовании для итераций или для изготовления оснастки, которая будет использоваться для производства только небольших партий деталей, затраты возрастают, а сроки производства значительно увеличиваются.
Включение быстрой оснастки в процесс разработки продукции позволяет производителям проверять конструкцию и выбор материала до перехода к серийному производству, что ускоряет разработку продукции, ускоряет итерации и выводит на рынок более качественные продукты. Быстрая оснастка дает инженерам возможность использовать реальные производственные материалы для оценки того, как детали будут работать в реальных условиях, и выпускать ограниченные объемы продукции для бета- и проверочных испытаний. Быстрая оснастка также может помочь устранить неполадки в производственном процессе, прежде чем инвестировать в дорогостоящую производственную оснастку.
Быстрое изготовление оснастки также позволяет производить нестандартные или ограниченные серии деталей конечного использования с использованием традиционных производственных процессов, которые были бы непомерно дорогими при использовании обычной оснастки. Это позволяет производителям тестировать рынок для новых продуктов, предлагать более широкий ассортимент продукции или изготавливать детали по индивидуальному заказу в соответствии с потребностями клиентов.
Быстрая оснастка может использоваться для поддержки различных традиционных производственных процессов для производства пластмасс, силиконовых или резиновых деталей, композитов и даже металлических деталей.
Производственный процесс
Проектирование: Проектирование пресс-формы, шаблона, штампа или основного инструмента в программном обеспечении CAD.
Изготовление оснастки: Изготовление оснастки с помощью 3D-принтера или станка с ЧПУ, либо создание пресс-форм или инструментов на основе эталонного образца.
Изготовление: Вставьте быструю оснастку в станок или используйте шаблон в рабочем процессе и выполните производственный процесс.
Пост-обработка: Выполните любую необходимую пост-обработку для достижения качества конечной детали.
Сравнение технологий мелкосерийного производства
Собственное производство в сравнении с контрактным производством
Хотя производство традиционно включает в себя контрактных производителей и длинную цепочку поставщиков, инструменты для малосерийного производства позволяют компаниям организовать производство у себя.
Передача производства на аутсорсинг сервисным бюро или лабораториям рекомендуется, если вам требуется всего несколько деталей от случая к случаю, а также для деталей больших размеров или требующих нестандартных материалов. Поставщики услуг, такие как Hubs, Protolabs, Fictiv или местные сервисные бюро, предлагают услуги по изготовлению и малосерийному производству по требованию. Эти бюро, как правило, располагают несколькими технологиями, включая аддитивные и субтрактивные процессы, а также быструю оснастку. Они также могут предоставить консультации по различным материалам и предложить дополнительные услуги, такие как дизайн или усовершенствованная отделка.
Основными недостатками аутсорсинга у поставщиков услуг являются стоимость и время выполнения заказа. Одним из самых больших преимуществ малосерийного производства является его скорость по сравнению с традиционными методами производства, которая быстро уменьшается, когда доставка деталей, переданных на аутсорсинг, занимает неделю или несколько недель. Аутсорсинг производства малосерийных деталей также зачастую очень дорог. В зависимости от количества деталей и объема, предприятие может выйти на безубыточность в течение нескольких месяцев, просто инвестировав в 3D-принтер и начав печатать у себя.
С настольными 3D-принтерами компании могут оплачивать столько мощностей, сколько необходимо их бизнесу, и масштабировать производство, добавляя дополнительные устройства по мере роста спроса. При использовании нескольких 3D-принтеров Вы также получаете гибкость, позволяющую печатать детали из разных материалов одновременно. Сервисные бюро могут дополнить этот гибкий рабочий процесс для больших деталей или нетрадиционных материалов.
Начните с малосерийного производства
Освобожденное от ограничений традиционных методов, связанных с оснасткой, аддитивное производство является мощным решением для производства небольших объемов конечных деталей с минимальным сроком изготовления. Собственная 3D-печать позволяет предприятиям взять под контроль производство, сократить время производства, затраты и риски.
