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3D打印机械加工车间工件夹具解决方案
来源:BRENT DONALDSON   发表时间:2020/11/5 21:07:00  浏览次数:
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和其他车间一样,PMP也经常会遇到各种工具瓶颈问题,尤其是在制造定制工件夹具装置的劳动密集型、高费用和高时耗过程中。

在研究基于精巧设计的3D打印机械加工车间工件夹具解决方案时,方案制定人考虑更多的是目标的易实现性。当Precision Metal Products(PMP)的工程师开始将目光投向3D打印工具时,结果已经显而易见。3D打印技术可以节省大量的人工、时间和成本,为车间目标的实现提供完美的保证。

40年来,总部位于康涅狄格州米尔福德的PMP一直在为医疗、国防、微电子和商务等多个行业提供服务。如今,这家由一名杰出女性开办的车间已拥有135名员工,并通过了AS9100D、ISO 9001:2008和ISO 13485:2003标准认证。车间的核心功能包括计算机数控铣削和车削、瑞士式加工、金属冲压、电火花线切割加工(EDM)和轻型组装工作。一般情况下,PMP主要承接大批量生产任务(在产量和主轴正常运行时间上占优),尤其是PMP的各种三轴和四轴计算机数控加工中心。

和其他车间一样,PMP也经常会遇到各种工具瓶颈问题,尤其是在制造定制工件夹具装置的劳动密集型、高费用和高时耗过程中。从设计到完成,PMP的定制固定装置通常需要一周或更长的时间,而且基本上都只能使用一次。PMP项目工程师Rich Scanlon说道:“现在回想起来,这就是我们过去的做事方式。工程师拿到图纸后确定工具夹紧的方法。然后,由我来进行制造设计、购买材料、找到所有夹具和硬件,并与工具制造商沟通,制定时间表。从概念设计到成品,需要很长时间。”

PMP是怎么解决这个问题的呢?去年秋天,当公司为解决这个问题而购买一台Markforged X7 3D打印机时,没有人想到增材制造会影响到车间的业务运营现状(图1)。

图1为了解决定制固定装置交付周期长、成本高等问题,PMP购买了一台Markforged X7 3D打印机

绕过工具室

2017年秋天,Rich Scanlon和PMP副总裁Sean O’Brien参加了由马萨诸塞州机床和增材制造设备供应商Methods Machine Tools举行的一场招待会。带着车间的工作瓶颈问题参加完招待会后,Rich Scanlon和Sean O’Brien与Methods的增材及管理系统销售和支持经理Keith Carlisle达成了一份购买Markforged X7的口头协议:如果Methods可以制造出符合车间标准的一些固定装置和部件样品,公司便会考虑购买X7。最后的情况也确实如此。

一年多以后,二人将X7直接与公司的工装和固定装置工作流程集于一体。由Methods提供机器操作的初步培训。采用碳纤维、凯夫拉尔纤维或玻璃纤维等强度/重量比高于6061铝的材料进行增强的塑料,经过该机器挤压后,所得单层高度仅为50μm。PMP几乎一直在使用Markforged的专有材料Onyx(一种掺有碎碳纤维的尼龙热塑性塑料)进行打印。也就是说,3D打印工具所需的材料强度并不是PMP的当务之急。

相反,车间调整活动主要集中在工具的设计和工作流程上,即帮助工具室摆脱束缚,调整工具制造的分离式思维模式。Rich Scanlon说道:“增材制造要求‘非常规思维方式’。过去,我们的常规操作是寻找工具制造商,制定时间表,跟进夹具和其他硬件,然后占用部件制造机床的宝贵时间进行设计部件铣削或磨削。”

而现在,一切有了翻天覆地的变化,Rich Scanlon每次想到都会笑。他说道:“我们使用Pro Engineer完成部件夹具设计建模,绘制出夹具的图纸后剩下的便交给打印机了。周五下班前,设置后打印机将按照设置开始工作。到了下周一早上,所有所需部件均已准备就绪,我们将全力应付下一周的大难题”。

难题与困境

PMP主要是大批量供应一款直径不到1/10 in的圆形17-4不锈钢医疗器械(图2)。对于车间而言,制造一个直径仅为0.25 in的工件工具并不比制造一个用于较大工件的工具难。该过程包括两步或多步设置、计算机数控编程、特殊夹具和电线切割放电加工。前文提到的大难题是指在计算机数控加工过程中,冷却剂的作用力会将虎钳中的部件吹到机器的后部。

图2 PMP是一家17-4不锈钢医疗器械的大批量供应商。这种医疗器械尺寸很小,不足十分之一英寸,两侧轮廓明显

这个问题的解决之法不在于3D打印的铁卡爪,而是一个5 in×5 in×3 in的3D打印盒。Rich Scanlon在盒子的五面墙壁(一侧敞开)上设计了若干密集的溢流冷却剂槽阵列,即数百个小的三角形形成筛网,用于冷却剂流通。工件垂直卡入盒子中间的0.5 in孔中,从而使主轴能够在盒子里接触到部件的所有侧面。

为了保持盒子的牢固性,Rich Scanlon采用3D打印技术,为四个下角打印了一个角套,每个角套内有一块磁铁,借助磁场的作用力将盒子固定到金属虎钳上。加工期间,将从每块原材料上切下部件(每个材料可切出五个部件),部件逐个落入盒子中,并被固定在角落的磁铁吸住,而冷却液则通过溢流槽排出。

具备制造工具和固件的能力后,越来越多像PMP这样的车间开始遇到类似的“大难题”。但是3D打印也有可能给车间业务模型核心方面带来根本性改变。

降低产量

过去40年以来,PMP一般是承接各种中到大量的部件生产任务。随着大批量生产中定制夹具交货时间的灵活性越来越高,车间开始怀疑增材制造行业。于是转战航空航天工业的小批量生产订单,因为这种情况更符合当前车间的生产能力。Rich Scanlon说:“对于高混合小批量部件生产,打印夹具的能力至关重要。现在,我们不再一头扎进工具室制作夹具,而是利用想象力选择材料,然后打印。这个过程非常有趣,应该也是周围变化的一种体现吧。”

到目前为止,车间使用的3D打印材料主要用于小批量生产活动,包括他为小型医疗设备创造的3D打印盒,已经能够胜任十几项工作。“3D打印和和其他定制工具夹紧解决方案的诞生,提高了PMP的部件交付速度。” Rich Scanlon说道,“在上一个短周期项目中,我们制造了固定装置、夹具和所有类型的物品,提高部件的交付速度。事实上,我们也真的做到了。现在,我们很希望能够与大家共享3D打印技术。这项技术帮助我们提高了客户信心,也缩短了交付周期(图3)。”

图3 通过3D打印技术,PMP可以绕开几个常规步骤,包括部件设计、绘图、安排工具制造商以及制造固定装置和两个夹具

“随着我们对3D打印技术的进一步了解,我越来越确信这项技术将逐渐运用到各个领域。” Sean O’Brien先生补充到,“公司正在寻找适用于室内使用的金属增材制造技术。不久的将来,应该很快会做出决定。目前,我们还没有充分挖掘X7的潜力,包括PMP已经制造出来的定制打印工件夹具的好处。我们将继续探索X7的新功能,我们也将继续期待X7带来的惊喜,继续尝试。但是即使是现在,我们也感觉早已比他人提前迈出了一步。”

 

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