Руководство по Мелкосерийному Производству

Современная теория, инструменты и лучшие практики производства сосредоточены на том, как сделать тысячи или миллионы идентичных деталей или продуктов с низкой себестоимостью за единицу. Кастомизированное и мелкосерийное производство требуют совершенно другого набора методов — и производители сталкиваются с уникальными проблемами, пытаясь адаптировать системы массового производства для подгонки.

Однако благодаря быстрому развитию производственных методов и материалов, сейчас доступны несколько технологий, которые могут обеспечить изготовление этих кастомизированных и мелкосерийных конечных деталей и продуктов быстро и экономически эффективно.

Это руководство представляет обзор различных сценариев мелкосерийного производства, а также технологий и решений для производства мелкосерийных конечных деталей.

Что такое Мелкосерийное Производство?
Мелкосерийное производство обычно относится к производственным циклам, которые дают от десяти до десятков тысяч деталей.

Сегодня большинство традиционных производственных методов, таких как литье или формование, основаны на концепции массового производства: изготовление больших количеств идентичных товаров. В то время как эти техники чрезвычайно экономически эффективны для крупносерийного производства (свыше 10 000 деталей), они требуют стандартизации, дорогостоящего оборудования и оснастки, которые редко позволяют вносить изменения в продукт.

Оснастка для процессов массового производства, таких как литье под давлением, может легко стоить $10 000+ и добавлять недели или месяцы к производственным графикам. При массовом производстве производители могут компенсировать эти крутые первоначальные капитальные расходы крупносерийными заказами, так как стоимость за деталь уменьшается, когда затраты распределяются среди тысяч деталей. Процессы массового производства ориентированы на производство идентичных деталей в больших количествах, ограничивая возможность экономичного производства специализированных или высококастомизированных изделий.

В противоположность этому, изготовление изделий на основе уникальных спецификаций, также известное как кастомизированное производство или производство с большим ассортиментом и малыми объемами (HMLV), традиционно выполняется вручную в небольших мастерских. Из-за высокой доли ручного труда и более низкой пропускной способности это приводит к более высокой стоимости за деталь для кастомизированных продуктов. По тем же причинам создание больших количеств индивидуально кастомизированных товаров, именуемое массовой кастомизацией, редко было экономически жизнеспособным.

За последние несколько десятилетий произошло быстрое развитие в производственных методах, подходящих для мелкосерийного производства. Такие технологии, как аддитивное производство (3D-печать), ЧПУ обработка и быстрое изготовление оснастки, предлагают уникальные преимущества для мелкосерийного производства, кастомизированного производства (производство с большим ассортиментом и малыми объемами) и массовой кастомизации.

Эти преимущества мелкосерийного производства включают:

Более низкие затраты: Устраните чрезмерные затраты на оснастку, которые требуют минимальных заказов для компенсации, снизьте барьеры для выхода на рынок и поощряйте инновации.

Скорость: Сожмите сроки разработки и сократите длящиеся месяцами сроки поставки для производства до пары дней или недель, чтобы опередить ваших конкурентов на рынке.

Гибкость: Решайте производственные проблемы, реагируйте на обратную связь клиентов, быстро итерируйте продукты и внедряйте изменения в дизайн, все быстро и без чрезмерных затрат.

Кастомизация: Предлагайте кастомизацию клиентам и создавайте продукты с беспрецедентной свободой дизайна, включая сложные детали, используя органические, решетчатые или замысловатые формы без дополнительных затрат.

Контроль: Укрепляйте цепочки поставок и сокращайте сроки поставки с локальным, производимым по требованию производством и держите запасы деталей или подкомпонентов на минимуме, чтобы быстро удовлетворять меняющиеся бизнес-потребности.
Сценарии Мелкосерийного Производства
Стремление к инновациям, улучшению качества и снижению затрат постоянно давит на производителей, поскольку они стремятся оставаться конкурентоспособными и максимизировать прибыль. От заполнения разрыва между прототипированием и массовым производством до снижения узких мест в цепочке поставок, давайте посмотрим на различные сценарии мелкосерийного производства.

Серия Hasbro Selfie Series предлагает первые персонализированные, массово-кастомизированные фигурки для действий.

Кастомизация
Сегодняшние клиенты тратят больше времени и денег, чтобы найти продукты, которые удовлетворяют их индивидуальные потребности и требования. Необходимо больше вариантов для персонализированных, курируемых продуктов и впечатлений, чтобы удовлетворить спрос. Мелкосерийное производство может помочь компаниям масштабировать персонализированные продукты для массовых рыночных возможностей без необходимости инвестировать в дорогостоящую оснастку.

Бизнесы могут переосмыслить способ производства продуктов и исследовать новые бизнес-модели, которые приближают их к потребностям их индивидуальных клиентов, такие как массовая кастомизация.

New Balance выпустила ограниченную серию высокопроизводительных кроссовок с 3D-печатными стельками.

Инновации в Продуктах
С помощью инновационных инструментов, таких как 3D-печать, дизайнеры могут раздвигать границы сложности дизайна, оптимизировать структуры и адаптировать детали без дополнительных затрат, чтобы разрабатывать уникальные продукты, которые трудно изготовить традиционными методами.

Смоляные 3D-принтеры позволяют создавать сложные формы и детали, с особенностями такими как свесы, микроканалы и органические формы, которые были бы дорого или даже невозможно произвести традиционными методами производства. Это предоставляет возможность консолидировать многодетальные сборки, снижая вес, уменьшая слабые соединения и сокращая время сборки, раскрепощая новые возможности для дизайна и инженерии.

Tension Square производит инновационное медицинское устройство с помощью 3D-печати.

Буферное Производство
Буферное производство — это этап в процессе разработки продукта, который заполняет разрыв между прототипированием и производством. Бизнесы во всех отраслях могут использовать мелкосерийное производство, чтобы быстро и доступно производить меньшие партии деталей перед переходом к массовому производству. Они могут снизить риски массового производства, используя пилотные запуски для тестирования продукта, предпродажной подготовки или проверки рынка перед инвестированием в дорогостоящую оснастку для массового производства.

3D-печатные тампоны для тестов на COVID-19, произведенные в ответ на глобальную пандемию.

Устойчивость Цепочки Поставок
Глобальные узкие места в цепочке поставок увеличивают сроки поставки и представляют собой серьезную угрозу для времени вывода нового продукта на рынок, удовлетворенности клиентов и общего конкурентного преимущества. Инструменты мелкосерийного производства могут быть использованы для временного производства, чтобы быстро и доступно производить короткие серии во времена дефицита. Бизнесы могут снизить свою зависимость от сторонних поставщиков, выдерживать логистические сбои и геополитические проблемы и быстро реагировать на изменения рынка, переводя производственные мощности на собственное производство.

Контроллеры Playstation 5 от Battle Beaver Customs с 3D-печатными внутренними деталями.*

Вторичные (Неоригинальные) Запчасти
Производители вторичных запчастей создают конечные продукты, которые работают как компоненты или дополнения к существующему продукту от оригинального производителя оборудования (OEM). Для этих применений представление новых инновационных продуктов при сохранении соответствия обновлениям продуктов OEM является серьезной проблемой.

Устраняя оснастку, мелкосерийное производство приносит гибкость, необходимую для корректировки вторичных компонентов по требованию, как в дизайне, так и в производстве. Компании по производству вторичных запчастей могут строить сложные геометрии для улучшения производительности продукта или адаптации продуктов под своих клиентов. Мелкосерийное производство помогает минимизировать запасы и обеспечить непрерывную совместимость через обновления оригинального производителя оборудования.

Автомобильный поставщик Brose оценивает производство запасных частей с помощью 3D-печати.*

Запасные Части
Когда OEM прекращает производство конкретного продукта или модели, он должен продолжать хранить тысячи деталей для обслуживания клиентов, у которых есть устаревшие продукты и которым нужны замены или ремонт. Если OEM не создает и не хранит достаточно этих запасных частей, большие группы клиентов, которые все еще используют эти снятые с производства модели, часто остаются без решений. OEM трудно рассчитать точно, сколько деталей хранить — если они переоценивают, им приходится иметь дело с отходами и проблемами хранения, а если они недооценивают, покупатели становятся недовольными.

Использование таких технологий, как 3D-печать, для производства запасных частей на собственном производстве позволяет производителям перейти от физического к цифровому запасу. Только CAD-модели хранятся для производства деталей по требованию и замены утерянного или поврежденного предмета.

Технологии для Мелкосерийного Производства
Аддитивное Производство (3D-Печать)
3D-печать повсеместно используется в прототипировании и разработке продуктов на протяжении десятилетий. Теперь эта зрелая технология входит в широкое использование в производстве. В процессе разработки продукта производители уже используют гибкость 3D-печати для производства внутренних инструментов, таких как кондукторы, приспособления и другие производственные вспомогательные средства, или даже быстрой оснастки, такой как формы для литья под давлением или термоформования.

Недавние достижения в оборудовании, материалах и программном обеспечении открывают возможности для производства высокоточных, функциональных 3D-отпечатков, которые могут заменять конечные детали — детали, которые продаются и используются конечным клиентом — давая возможность бизнесам выводить инновационные продукты на рынок и делать малое и среднее производство доступным.

3D-принтеры чаще всего используются для производства пластиковых деталей — металлические 3D-принтеры также доступны, но по существенно более высокой стоимости. Существует много различных типов 3D-принтеров, наиболее распространенными процессами для производства пластиковых деталей являются: селективное лазерное спекание (SLS), стереолитография (SLA) и моделирование методом наплавления (FDM).

Ручка бритвы Gillette
SLA - Кастомизированная смола
Массовая кастомизация

Боковой движитель для насоса реактивного катера JetBoatPilot
SLS Нейлон 12 Порошок
Вторичные запчасти

Корпус для системы управления транспортного средства
IBL Hydronic
*SLS = Нейлон 11 Порошок*
Мелкосерийное производство

Поскольку профессиональные 3D-принтеры не требуют оснастки и минимального времени настройки для нового дизайна, стоимость производства кастомизированной конечной детали ничтожна по сравнению с традиционными производственными процессами.

Аддитивные производственные процессы обычно имеют более высокое время цикла и являются более трудоемкими, чем производственные процессы, обычно используемые для массового производства, но они представляют собой существенный скачок в производительности по сравнению с традиционным ручным мелкосерийным производством и процессами изготовления. По мере улучшения технологий 3D-печати стоимость за деталь продолжит падать, открывая еще более широкий спектр применений с малыми и средними объемами.

Большинство традиционных производственных процессов требуют дорогого промышленного оборудования и квалифицированных операторов, вынуждая многие компании отдавать свое производство на аутсорсинг специализированным предприятиям. 3D-печать, однако, позволяет осуществлять собственное производство. Компактные настольные или напольные системы 3D-печати для создания пластиковых деталей доступны по цене, требуют очень мало места и не требуют специальных навыков, позволяя профессиональным инженерам, дизайнерам и производителям ускорять циклы итераций и производства с месяцев до всего нескольких дней.

Производственный Процесс
Дизайн: Спроектируйте вашу модель в CAD, или создайте модель на основе 3D-скана существующей модели, MRI скана или внутриротового скана.
Настройка печати: Программное обеспечение для подготовки печати используется для ориентации и размещения моделей в пределах объема сборки принтера, добавления опорных структур (если нужно) и нарезки поддерживаемой модели на слои.
Печать: Выберите правильную технологию и материал, и напечатайте деталь на 3D-принтере.
Пост-обработка: Когда печать завершена, детали извлекаются из принтера, очищаются или промываются, пост-отверждаются (в зависимости от технологии), и опорные структуры удаляются (если применимо). Детали могут быть покрашены, покрыты или дополнительно пост-обработаны другими методами финишной обработки.
конечное использование
Вебинар

Инструменты с ЧПУ
Инструменты с компьютерным числовым управлением (ЧПУ) являются субтрактивными производственными процессами. Они начинаются с твердых блоков, брусков или стержней из пластика, металла или других материалов, которым придается форма путем удаления материала через резку, растачивание, сверление и шлифовку.

Инструменты с ЧПУ включают обработку на ЧПУ, которая удаляет материал либо с помощью вращающегося инструмента и фиксированной детали (фрезерование), либо вращающейся детали с фиксированным инструментом (токарный станок). Лазерные резаки используют лазер для гравировки или резки через широкий спектр материалов с высокой точностью. Водоструйные резаки используют воду, смешанную с абразивом и высоким давлением, чтобы резать практически любой материал. Фрезерные станки и токарные станки с ЧПУ могут иметь несколько осей, что позволяет им управлять более сложными дизайнами. Лазерные и водоструйные резаки больше подходят для плоских деталей.

Инструменты с ЧПУ могут формовать детали из пластиков, мягких металлов, твердых металлов (промышленные машины), дерева, акрила, камня, стекла и композитов. Они идеальны для производства кастомизированных или мелкосерийных конечных деталей, конструкционных деталей и оснастки для широкого спектра отраслей.

По сравнению с аддитивными производственными инструментами, инструменты с ЧПУ более сложны в настройке и эксплуатации, в то время как некоторые материалы и дизайны могут требовать специальной оснастки, обработки, позиционирования и обработки. Это делает их дорогостоящими для единичных деталей по сравнению с аддитивными процессами и лучше подходящими для небольших производственных циклов.

Обработка идеальна для применений мелкосерийного производства, требующих жестких допусков и геометрий, которые трудно отлить, таких как шкивы, шестерни и втулки. Обработка на ЧПУ имеет низкие или умеренные затраты на настройку и может производить высококачественные компоненты с короткими сроками поставки из широкого спектра материалов.

Процессы обработки имеют больше ограничений по геометрии детали, чем 3D-печать. При обработке стоимость за деталь увеличивается со сложностью детали. Подрезы, сквозные отверстия и особенности на нескольких гранях детали — все увеличивает затраты. Процессы обработки требуют допусков для доступа инструмента и определенные геометрии, такие как изогнутые внутренние каналы, трудно или невозможно произвести обычными субтрактивными методами.

Производственный Процесс
Дизайн: Спроектируйте вашу модель в CAD, или создайте модель на основе 3D-скана существующей модели, MRI скана или внутриротового скана.
Настройка задания: Станки с ЧПУ требуют промежуточного шага генерации и валидации траекторий инструмента (CAD в CAM). Траектории инструмента контролируют, где движутся режущие инструменты, с какими скоростями и любые смены инструмента.
Обработка: Траектории инструмента отправляются на станок, где начинается данный субтрактивный процесс. В зависимости от желаемой формы конечного продукта, заготовка может нуждаться в установке в новое положение, чтобы головка инструмента могла достичь новых областей.
Пост-обработка: После изготовления деталь очищается и заусенцы удаляются, обрезается, и может быть дополнительно пост-обработана другими методами финишной обработки.
Быстрое Изготовление Оснастки
Быстрое изготовление оснастки — это группа техник, используемых для изготовления оснастки быстро, с низкой стоимостью и эффективно для традиционных производственных процессов, таких как литье под давлением, термоформирование или литье, для создания деталей в короткие сроки или в меньших количествах.

Обычная оснастка чаще всего производится из прочных металлов с использованием таких технологий, как обработка и металлическое литье. Однако эти процессы дороги и лучше подходят для крупномасштабных производственных циклов. При использовании для итераций оснастки или для производства оснастки, которая будет использоваться для изготовления только небольших партий деталей, затраты растут и производственные графики dramatically удлиняются.

Включение быстрого изготовления оснастки в процесс разработки продукта позволяет производителям проверять дизайн и выбор материалов до перехода к массовому производству, чтобы ускорить разработку продукта, быстро итерировать и выводить на рынок лучшие продукты. Быстрое изготовление оснастки дает возможность инженерам использовать фактические производственные материалы для оценки того, как детали будут работать в реальных применениях и производить ограниченные объемы продуктов для бета-тестирования и валидационного тестирования. Быстрое изготовление оснастки также может помочь устранять неполадки в производственном процессе перед инвестированием в дорогую производственную оснастку.

Быстрое изготовление оснастки также предоставляет средства для производства кастомизированных или ограниченных серий конечных деталей с использованием традиционных производственных процессов, которые были бы запретительно дорогими при использовании обычной оснастки. Это позволяет производителям тестировать рынок для новых продуктов, предлагать более широкий спектр продуктов или кастомизировать детали на основе потребностей клиентов.

Быстрое изготовление оснастки может использоваться для поддержки различных традиционных производственных процессов для производства пластиковых, силиконовых или резиновых деталей, композитов и даже металлических деталей.

Производственный Процесс
Дизайн: Спроектируйте форму, шаблон, штамп или мастер-инструмент в CAD-программе.
Производство оснастки: Изготовьте оснастку с помощью 3D-принтера или инструмента с ЧПУ, или создайте формы или инструменты на основе мастер-шаблона.
Производство: Вставьте быструю оснастку в вашу машину или используйте шаблон в вашем рабочем процессе и осуществите производственный процесс.
Пост-обработка: Выполните любую необходимую пост-обработку для достижения качественной отделки конечной детали.
Сравнение Технологий Мелкосерийного Производства

3D-Печать	Инструменты с ЧПУ	Быстрое Изготовление Оснастки
Технологии	Селективное лазерное спекание (SLS), стереолитография (SLA), моделирование методом наплавления (FDM), металлическая 3D-печать	Обработка на ЧПУ (фрезерный или токарный станок), лазерная резка, водоструйная резка	Литье под давлением, термоформирование, формование с наполнением и вставное формование, прессовое формование, литье, формование листового металла
Материалы	Пластики, металлы (ограниченно), силиконовые и резиноподобные детали	Пластики, металлы, дерево, акрил, камень, стекло и композиты	Пластики, металлы, композиты, силиконовые и резиновые детали
Форма	Высокая степень свободы	Средняя степень свободы	Средняя степень свободы
Срок поставки до конечных деталей (на собственном производстве)	От одного до двух дней	От одного дня до недели	От одного дня до недели
Время цикла	< 1 часа до нескольких часов, в зависимости от размера детали	< 1 часа до нескольких часов, в зависимости от размера детали, дизайна и сложности	От пары секунд до нескольких часов, в зависимости от процесса и материала
Стоимость настройки	$	$$	$-$$
Стоимость за деталь	$$-$$$	$$$$	$$
Собственное Производство против Контрактного Производства
В то время как производство традиционно включает контрактных производителей и длинную цепь поставщиков, инструменты мелкосерийного производства также позволяют компаниям переводить производство на собственное производство.

Аутсорсинг производства сервисным бюро или лабораториям рекомендуется, когда вам требуется всего несколько деталей время от времени, и для деталей, которые большие или требуют нестандартных материалов. Поставщики услуг, такие как Hubs, Protolabs, Fictiv или локальные сервисные бюро, предлагают производственные и мелкосерийные производственные услуги по требованию. Эти бюро обычно имеют несколько доступных технологий, включая аддитивные и субтрактивные процессы, а также быстрое изготовление оснастки. Они также могут предоставить консультации по различным материалам и предложить услуги с добавленной стоимостью, такие как дизайн или продвинутая отделка.

Основными недостатками аутсорсинга поставщикам услуг являются стоимость и сроки поставки. Одно из наибольших преимуществ мелкосерийного производства — это его скорость по сравнению с традиционными методами производства, которая быстро уменьшается, когда детали по аутсорсингу занимают неделю или несколько недель для прибытия. Аутсорсинг производства мелкосерийных деталей также часто очень дорог. В зависимости от количества деталей и объема, бизнес часто может окупиться в течение нескольких месяцев, просто инвестировав в 3D-принтер и печатая на собственном производстве.

С настольными и напольными 3D-принтерами компании могут платить ровно за столько мощности, сколько нужно их бизнесу, и масштабировать производство, добавляя дополнительные единицы по мере роста спроса. Используя несколько 3D-принтеров, вы также получаете гибкость для печати деталей в разных материалах одновременно. Сервисные бюро все еще могут дополнять эту гибкую рабочую схему для более крупных деталей или необычных материалов.

Запустите Мелкосерийное Производство
Освободившись от ограничений оснастки традиционных методов, аддитивное производство является мощным решением для производства мелкосерийных конечных деталей с минимальным сроком поставки. Собственная 3D-печать позволяет бизнесам взять под контроль свое производство, сокращая производственное время, затраты и риски.