提升背包旅行者体验，领先的户外运动装备制造商Jack Wolfskin（德国狼爪）推出了一款带有3D打印背垫的徒步旅行包。Jack Wolfskin 寻求通过这一全新的3D打印材料，大幅改进了徒步旅行包的设计，突破了旅行包在重量、耐用性以及通风性方面由来已久的痛点与局限。

本期，3D科学谷将揭示Jack Wolfskin 在徒步旅行包产品开发中的3D打印应用逻辑，以及Jack Wolfskin 合作伙伴裕克施乐实现3D打印背垫量产的增材制造精益生产解决方案为体育用品设计创新带来的势能。

© 裕克施乐

 更轻松的旅行

Jack Wolfskin 将旅行包中使用的3D打印背垫命名为“3D Aerorise Carry System（3D Aerorise 背负系统）”。3D Aerorise 系统由分布在肩部和下背部的4个独立的3D打印背垫组成，在多区域与旅行者的身体进行贴合。

这些3D打印背垫由具有数千个独立支柱的开孔晶格结构制成，取代了传统的泡沫填充材料。这样的设计提升了背包的透气性。此外，3D打印晶格结构由数千个具有不同垂直和水平强度的杆状弹性连接组成，其软硬度可根据需要进行适应性的设计调整，从而实现卓越的舒适性和负载分布。

© Jack Wolfskin

总体而言，3D打印晶格点阵结构提供了许多迄今为止传统生产方法无法实现的产品性能。例如，减轻重量、改善通风，从而使压力区的温度降低多达 5 摄氏度。另一个优点是，尤其是在高负载的情况下增加旅行者的佩戴舒适度。

©3D科学谷白皮书

舒适性、负载控制和通风透气性是旅行背包设计中由来已久的挑战。Aerorise系统中所应用的3D打印技术为徒步旅行者带来了更好的体验，并将户外运动用品行业带入一个新的方向。

 轻松背后的“小点阵、大洞天”

在Jack Wolfskin的 “3D Aerorise Carry System”中，其核心技术为3D打印晶格点阵结构。随着带有3D打印鞋中底的运动鞋在消费市场上打开局面，其中的关键技术-基于弹性塑料材料的3D打印晶格点阵结构作为替代传统泡沫塑料的新一代缓冲、防护材料，引起了制造业的关注。

Jack Wolfskin的制造合作伙伴裕克施乐（OECHSLER）在3D打印晶格点阵在点阵晶格结构3D打印领域已积累了大量生产案例，在塑料3D打印零件生产领域建立了从产品设计开发到量产的精益制造体系。

裕克施乐有针对性的细化客户需求，利用晶格设计拥有的独特设计灵活性，达到客户产品所需的功能，性能等要求。晶格设计往往拥有复杂的几何结构，而制造复杂的结构恰好是增材制造技术在工业制造中的竞争优势之一，可以说晶格设计与增材制造的绝妙组合将能给客户的产品带来独特的创新性。

 附加值创造背后的“精益生产”

裕克施乐在点阵晶格结构3D打印领域已积累了大量生产案例，在塑料3D打印零件生产领域建立了从产品设计开发到量产的增材制造全价值链增值服务。

通常，塑料3D打印给人的感觉是门槛不高，这也使得尝试塑料3D打印的企业越来越多，然而更多的应用局限在制造手板原型，那么从原型的3D打印制造到自动化的大批量量产，其中的门槛到底是什么呢？这其中是否存在着另外一种层面的极高要求？

对于量产3D打印产品而言，保持质量一致性至关重要。裕克施乐通过严格的生产环境控制，选择合适的打印技术和优化的后处理工艺来实现打印量产质量的一致性。

裕克施乐整个生产车间，包括原材料存储仓库通过独立的控制系统实现温度湿度的稳定控制，配合不同区域点位的实施监控形成闭环管控，保证了整个打印生产过程环境的稳定性。

裕克施乐拥有全球最多的Carbon 3D打印机。就在2022年8月，裕克施乐还在增材制造领域拓展了与Carbon公司的合作关系。裕克施乐将在其中国太仓工厂与Carbon 续签120台3D打印机的合同，将生产产能提高至每年200万个零部件。

采用逐层沉积原理的增材制造工艺，其机械性能取决于部件的打印方向（各向异性），而Carbon 的DLS 数字光合成技术所生产的零件在所有方向上都表现一致（各向同性），这是保证打印产品质量一致性的条件之一。

此外，裕克施乐在产品前处理和后处理方面的丰富专业知识对于批量生产的高效率具有决定性意义。对于某些需要二次固化的3D打印产品而言，产品的后处理好坏，除了会直接影响外观表现外，更是会直接决定最终产品力学功能特性。裕克施乐在后处理工艺研发方面的能力与丰富经验，为量产产品的质量一致性提供有效保证。

 一站式附加值创造解决方案

增材制造-3D打印是发展最快的制造技术之一，它为产品设计带来的创新空间以及在生产批量上的灵活性已经说服了许多行业。裕克施乐和Carbon的合作由来已久，以Carbon精湛的3D打印技术为依托，裕克施乐源于德国的制造严谨精神，双方的合作不断的将3D打印推动起来，迈过量产的门槛。

在体育用品领域，裕克施乐和Carbon 通过弹性材料3D打印晶格点阵结构批量生产技术，助力品牌方突破传统材料的束缚，实现了许多创新性的产品，例如阿迪达斯运动鞋中底、橄榄球防护头盔内衬、自行车鞍座。

根据3D科学谷的了解，聚焦为各类全球有影响力的品牌增加附加值，裕克施乐交付的不仅仅是制造这一个环节，举例来说，裕克施乐还独立设计研发了3D打印运动用品系列Sporting Goods，包括运动员护肩垫、护胸垫、护肘套、护膝套、护膝垫、运动鞋鞋中底、以及自行车的坐垫、自行车手把。

裕克施乐聚焦于从理解产品设计到精益制造的know how，从而为其客户提供品牌升值之路所需要的一站式附加值创造解决方案。

在这类应用中，3D打印晶格点阵结构替代传统泡沫材料，通过面向增材制造的设计，显著改善体育产品的舒适性、透气性、负载控制等性能，最终提高了体育产品用户的使用体验。

增材制造-3D打印为显著改变户外装备和体育用品的设计和产品开发创造了条件。当阿迪达斯、 Jack Wolfskin等知名体育品牌主动拥抱3D打印技术，并将其与新产品制造、品牌附加值深度结合时，是3D打印技术赋能体育产品创新又一“着陆点”。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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根据3D科学谷市场研究团队的研究与跟踪，粉末床、光聚合、材料挤出与材料喷射这四大类聚合物3D打印工艺在近年来取得了不同程度的发展。在3D打印材料、设备及面向大批量生产的增材制造服务商与富有创新力的终端用户等企业的共同推动下，塑料3D打印技术呈现出明显的超越原型，走向最终零部件生产的发展趋势，尤其是在小批量生产和复杂零部件规模化生产中发挥着日益重要的作用。

通常，塑料3D打印给人的感觉是门槛不高，这也使得国内尝试塑料3D打印的企业越来越多，然而其中更多的应用局限在制造手板原型，那么从原型的3D打印制造到大批量量产，其中的门槛到底是什么呢？这其中是否存在着另外一种层面的极高要求？

3D科学谷曾分享过裕克施乐（OECHSLER）在运动品、汽车座椅在增材制造批量生产方面的应用，本期，3D科学谷通过裕克施乐在自行车座的批量制造案例，来进一步洞悉塑料3D打印背后的精益生产及高附加值创造逻辑。

3D打印与创新基因的结合

 传统生产技术遇瓶颈，新产品如何突破？

自行车制造商 Specialized在过去的 25 年中，在产品研究和创新方面投入了大量资金，目标是改善骑手的骑行体验。

然而，传统生产技术和材料（尤其是泡沫材料）为产品创新带来的可能性在某些时候已出现瓶颈，这种情况在Specialized希望在自行车的舒适性和骑手稳定性方面进一步提升时尤为明显。

3D打印技术帮助Specialized打破了瓶颈。在这个转折点上，Specialized 开始探索通过增材制造-3D打印实现产品的自由设计、快速开发，以及进行最终产品的生产。

总体来看，Specialized对于3D打印技术的应用分为两个阶段，第一个阶段是通过3D打印技术进行新设计原型开发，显著缩短开发周期，第二个阶段是通过3D打印技术进行最终产品的直接生产。

大约在2016年，Specialized购买了第一台 Carbon（恺奔）公司 M1 3D打印机，用于原型设计和测试。该设备基于Carbon 数字光处理(Digital Light Synthesis™, DLS™)增材制造工艺。引入这台设备后，Specialized 自行车零件的研发速度有了颠覆性改变。Specialized能够利用3D打印技术将自行车鞍座的整体开发周期从典型的18-23个月，缩短到13个月。

© 裕克施乐

同样是在2016年，Carbon与裕克施乐（OECHSLER）建立了合作伙伴关系，基于Carbon 数字光合成™ (Carbon DLS™) 3D打印技术开发可扩展生产流程，为一全球著名体育用品品牌规模化生产不同3D打印体育用品零件。裕克施乐建立起大规模塑料零件增材制造的产能，其位于德国、美国和中国（太仓）的全球生产基地拥有150多台3D打印机，自 2019 年以来，每年生产超过 100 万个3D打印零件。

时至2020年，Specialized与裕克施乐都在DLS™ 3D技术方面积累了深厚的专业知识。双方以“打造最舒适的性能自行车鞍座”为目标，展开了合作。

Specialized 基于Carbon的3D打印技术，开发了一种Mirror 技术驱动的S-Works 创新产品，基于增材制造思维的设计将产品功能扩展到了前所未有的水平。怀着进一步突破的愿景，Specialized 在近期又推出了采用Mirror 技术的下一代自行车座产品S-Works Romin Evo。

© 裕克施乐

该产品的创新是Specialized、Carbon和裕克施乐之间密切合作的结果，代表着独特的骑行体验。当三家公司在2020年下半年走到一起之后，解决了S-Works Romin Evo自行车鞍座从开发到增材制造批量生产过程中存在的挑战。

 从快速研发迭代到批量生产，赋能附加值创造

S-Works Romin Evo自行车座的开发，首先需要分析骑行测试人员的反馈，从压力测试中收集数据，并使用以前开发过程的结果。Carbon 和裕克施乐的工程师将这些转化为技术规范。

新产品设计阶段的时间非常有限，但合作团队基于 DLS™ 3D打印技术，在设计阶段开发和测试了14 种不同的设计，短迭代周期使得设计部门能够收集大量数据，在一个典型的设计迭代循环中，包括测试、收集和分析数据，并将这些体现在设计迭代中，平均 21 天。

S-Works Romin Evo 3D打印车座与传统泡沫车座压力图对比。
© 裕克施乐

实现新产品研发的快速迭代，仅是合作团队实现的目标之一。另一个重要任务是利用增材制造设计思维，改变骑行车鞍座的设计，带来新一代的创新产品。

S-Works Romin Evo 是为高性能自行车市场而开发的，必须满足骑手感知舒适度、骨盆稳定性和软组织健康方面的最高水平。座椅舒适度差会导致受伤和擦伤，从而直接影响骑车人的表现。

显然，Specialized 需要的并不仅是一款自行车鞍座，还有该产品为骑手带来的附加值。Specialized、Carbon和裕克施乐更深层的合作，正是为自行车最终用户创造全新的骑行体验。

© 裕克施乐

这款自行车鞍座的核心技术是3D打印晶格点阵结构，该结构的阻尼和能量恢复特性可通过晶格的几何形状，2万2千个晶格连杆的厚度及晶胞尺寸进行编程来得以实现。延伸阅读：小点阵、大洞天，一文洞悉3D打印为缓冲、防护产品创造新机遇的精益之道

凭借3D打印技术能够制造复杂结构的优势，S-Works Romin Evo 自行车座中的不同区域具有不同的3D打印晶格结构，从而具有不同的阻尼特性并带来更好的舒适性。

根据裕克施乐的数据，总体而言，与传统泡沫材料相比，自行车座压力降低了 18% 至 26%。从S-WorksRomin Evo 自行车座长 260 毫米，宽 143 或 155 毫米，重190 克。

产品设计原型确定之后，将进入到产品批量生产阶段。裕克施乐基于最终的设计原型优化了用于批量制造的3D打印文件，以在不影响性能和设计的情况下提高产量、加快生产并减少对环境的影响。

为了实现S-Works Romin Evo 自行车座的哑光外观，需要对3D打印车座再进行后处理。裕克施乐的工艺专家针对这一需求，在四个月内开发与验证了一种基于激光的超轻后处理工艺。

在裕克施乐加入S-Works Romin Evo 3D打印自行车座的开发项目之后，从确定设计原型到产业化时间为六个月，总共在十个月内完成了从设计到增材制造批量生产。

 高品质消费品创新的更多期待

以上案例中的Specialized是一家致力于在其产品的所有方面为其自行车用户创造价值的企业。创新是Specialized基因的一部分，在此过程中，他们不断突破传统制造技术的界限，并在自行车市场设立新标准。

以增材制造-3D打印技术作为产品创新及制造方式，在创新思维、供应链转型、工艺本身仍存在挑战。道阻且长，行则将至。无论是自行车座，还是其他体育器械，汽车内饰，家具，高端美妆产品包装…… 增材制造与消费品制造商的创新基因相结合，在制造具有更高性能、更高品质或者前所未有的创新产品领域的潜力值得期待。

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保时捷正致力于将赛车定制级座椅带来的舒适体验融入保时捷跑车中，而增材制造-3D打印技术为保时捷实现座椅的舒适性能和定制生产提供了技术上的可行性，也为汽车内饰件的设计创新提供了新思路。

经过前期的研发与驾乘测试，近日，保时捷宣布3D打印全斗式座椅，已可向保时捷Boxster、Cayman 和 911 车型用户提供。并且从2022 年 2 月起，这款座椅也可以作为标准配置，从保时捷（Porsche Exclusive Manufaktur ） 订购。

本期，3D科学谷将与谷友一起，深度了解保时捷3D打印全斗式座椅的设计创新性，及其背后成就新一代汽车内饰的增材制造-3D打印技术。

© 保时捷

有限空间内，缔造新设计

 保时捷的愿景-为每位用户提供专属座椅

‘A seat just as individual as its driver’

根据保时捷，3D 打印全斗式座椅适用于所有配备传统全斗式座椅的保时捷车型。 已经交付给用户的保时捷汽车，也可以通过改装安装这款3D打印座椅。有些车型甚至可以在乘客侧安装完整的斗式座椅。 根据保时捷， 每个座位的价格为 2,677.50 欧元。

保时捷3D打印全斗式座椅采用模块化的三明治结构：

最外层由 Race-Tex 材料制成，这种防滑材料为提供了充足的支撑，独特的穿孔表面可改善座椅的被动通风性能。

中间层为透气舒适层，由增材制造-3D打印技术制造，采用了聚氨酯基的材料。3D打印舒适层在设计上采用了点阵晶格结构，这是一种典型的面向增材制造而设计的方式。

最底层是由发泡聚丙烯 (EPP) 制成的底座支撑，与3D打印透气舒适层结合在一起，不同层之间的采用了创新性的连接技术，在对不同模块进行连接时，不再需要使用粘结剂。

最初，保时捷为用户提供的3D打印晶格结构中间的颜色包括：黑色、警卫红色和赛车黄色。预计2020年2 月份，颜色范围将增加北极灰、群青和鲨鱼蓝。

三明治结构的中间层-3D打印舒适层，蕴含着这款保时捷座椅的创新性设计理念与制造工艺。

保时捷揭示了这款3D打印汽车座椅中的创新点：他们利用增材制造技术最大化座椅的功能性，并实现个性化设计。

3D打印点阵结构改进了座椅的形状复位功能, 最外层透气材料与中间层3D打印晶格结构，为座椅带来良好的被动通风功能。

在定制化方面，保时捷宣布已可以为座椅提供三种不同的刚度，而将来目标是为每位用户提供更加个性化的座椅。正如保时捷在3D打印座椅的官宣视频中所说，他们的愿景是为每位用户提供专属的个性化座椅。

 增材制造成就美感、功能与个性化

以上种种创新离不开背后的增材制造-3D打印点阵晶格结构。

3D打印晶格结构，可以认为是大量相同的点阵单元通过某种形式周期性地组合而构成的多孔结构。这种结构的性能具有很高的设计灵活性，通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，达到结构的强度、刚度、韧性、耐久性、静力学性能、动力力学性能的完美平衡。[1]

这意味着，设计师通过调整单个胞元尺寸、杆径和胞元形状，将可能实现产品更高的设计美感和力学性能，同时也可以通过这些调整，在外观与性能上实现个性化。结合增材制造-3D打印在制造复杂结构方面的能力，设计师能够更加能够专注于产品本身，这为3D打印晶格结构的应用打开了更大的空间。

保时捷增材制造合作伙伴-裕克施乐（Oechsler）通过其位于德国、美国和中国（太仓）的生产基地，已经生产了超过200万个3D打印零件，在3D打印点阵晶格结构的大批量精益生产方面已积累了大量应用经验。

巴斯夫Forward AM与裕克施乐汽车内饰件增材制造webinar

裕克施乐曾携手巴斯夫Forward AM 分享了3D打印点阵晶格结构在汽车座椅制造中的应用，及其为汽车制造商和驾乘用户带来的附加价值，包括：

• 更高的舒适度；
• 通风性能；
• 通过增材制造点阵设计，使座椅的不同区域拥有不同的硬度；
• 轻量化（减重幅度达35%）；
• 减少所占空间（减幅达40%）；
• 根据不同的压力地图，为3D打印座椅设计个性化的力学性能；
• 同一款材料（例如：TPU），通过增材制造实现不同力学性能的解决方案。

裕克施乐打磨了六项工艺，为高附加值汽车座椅的增材制造生产提供了保障：

• 3D打印点阵晶格结构具有的多孔特性提供了更好的通风性能；
• 不同3D打印模块之间采用特殊组装方式，无需使用粘合剂；
• 后处理染色工艺，为座椅提供丰富的色彩选择；
• 3D打印铰链式结构，可以一体化制造两片连接在一起的3D打印组件，从而能够制造超越3D打印设备构建尺寸的座椅组件；
• 利用增材制造制造功能集成结构的优势，实现加强结构与点阵结构的一体化制造，减少对于零件装配的需要；
• 当3D打印座椅采用模块化设计时，不同模块衔接处具有相同的力学性能。

裕克施乐制造的3D打印点阵晶格结构，可作为座椅的中间层/舒适层材料。在座椅的不同区域，3D打印晶格胞元的设计有所不同，晶格设计的多样性，使得座椅的不同区域具有不同的功能与性能。座椅舒适层的应用，很好的体现了3D打印晶格结构的性能所具有的高设计灵活性。

汽车设计师面临的挑战是在一个相对小，并对重量有所限制的空间内，为用户创造一个兼顾舒适性、美观性、隔音性和耐用性的环境。而增材制造技术凭借其制造创新性复杂设计与易于实现定制化生产的能力，将为汽车内饰件创新与制造提供全新可能性。[2]

参考资料：

[1] 增材制造创新设计. 《点阵结构的设计经验分享》

[2] BASF Forward AM “Automotive – Ultrasint® TPU for Car Interior Applications”

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