裝配線的輸送機(jī)滾輪、過山車的剎車片以及將戰(zhàn)斗機(jī)固定到位的車輪擋塊......聚氨酯部件對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要，盡管它們可能不是我們?cè)诓榭串a(chǎn)品時(shí)首先想到的材料。作為大型組件的一部分，為了平穩(wěn)運(yùn)行，聚氨酯部件的設(shè)計(jì)需要優(yōu)化材料使用、嚴(yán)格的公差以及長時(shí)間的承載或變形。
Kastalon 是伊利諾伊州的一家聚氨酯制造商，幾十年來一直在解決問題，生產(chǎn)數(shù)千種定制的聚氨酯部件，以滿足這種多樣化的要求。產(chǎn)品工程師 Brian Baer 向我們介紹了Form 3L 大幅面立體光固化成型（SLA） 打印機(jī)如何為模具 、制造輔助工具和新產(chǎn)品研發(fā)。
“能夠3D打印一個(gè)全新的模具，對(duì)于產(chǎn)品小的改變和調(diào)整來說是一個(gè)非常大的優(yōu)勢。對(duì)我們來說，可以達(dá)到±0.1mm的精度也很棒。我們做了以前做不到的事情，而且數(shù)量正在穩(wěn)步增加。
Brian Baer， 工程師
Kastalon 將 3D 打印與傳統(tǒng)加工相結(jié)合
Kastalon 設(shè)計(jì)和制造了數(shù)百個(gè)定制模具，以生產(chǎn)數(shù)十萬個(gè)聚氨酯零件。傳統(tǒng)上，當(dāng)客戶提交最終用途零件請(qǐng)求時(shí)，Kastalon 的團(tuán)隊(duì)會(huì)在用鋁或鋼加工模具之前評(píng)估零件的成型可行性。
過去，加工過程的費(fèi)用和復(fù)雜性有時(shí)迫使 Kastalon 像許多塑料制造商一樣，拒絕那些過于復(fù)雜而無法成型或?qū)τ谛∨亢驮椭谱鱽碚f不具有成本效益的零件。具有太多互鎖特征、微小通道或銷釘?shù)哪＞咴谠O(shè)計(jì)、加工時(shí)往往效率低下，有時(shí)甚至需要整件返工。盡管如此，拒絕做生意還是很困難的，而且由于Baer在學(xué)校使用過各種3D打印技術(shù)，他開始研究其他制造模具的方法。
幾年前，他曾涉足3D打印領(lǐng)域，這讓一些團(tuán)隊(duì)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)感到不滿，因此 Baer 在他的研究中需要尋找特定的要求。他們需要一臺(tái)能夠處理±0.1mm打印精度的機(jī)器，能夠承受 82-150℃ 高溫的材料，以及一個(gè)價(jià)格合理的系統(tǒng)。
“直到我找到 Formlabs，看到各種材料可以承受高溫并能做非常具體的事情，我才意識(shí)到這臺(tái)打印機(jī)實(shí)際上可以應(yīng)用于我們所做的各種事情?！?/p>
Brian Baer， 工程師
Form 3L到達(dá)了 Kastalon 辦公室后，需要經(jīng)過一些測試才能讓每個(gè)人都加入進(jìn)來。起初，同事們對(duì)可能的材料和精度持懷疑態(tài)度，直到Baer打印了幾件測試件?！拔医o機(jī)加工車間打印了一個(gè)零件，他們做了RA表面粗糙度測試。店長非常滿意，它能與我給他的規(guī)格相匹配，而且零件的光滑程度也很高，“Baer 說。
“當(dāng)我們有可以應(yīng)用3D打印的工作時(shí)，他是第一批建議使用3D打印技術(shù)的人之一。機(jī)械車間被大項(xiàng)目淹沒了——如果有什么小項(xiàng)目可以打印，他希望我們把它拿走”Baer 說。
幾何、測試和操作的新機(jī)遇
3D打印為聚氨酯零件的成型開辟了新的可能性。Kastalon 的工程團(tuán)隊(duì)可以嘗試金屬模具無法完成的新設(shè)計(jì)特征和幾何形狀，或者對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行小的更改，而不必?fù)?dān)心浪費(fèi)機(jī)加工模具。該團(tuán)隊(duì)可以自信地提出新設(shè)計(jì)，因?yàn)樗麄兡軌蜻M(jìn)行廣泛的測試和迭代，而不必?fù)?dān)心因微小的更改而使機(jī)械車間陷入困境。
尾部拉拔器夾緊模具：通過3D打印實(shí)現(xiàn)
Kastalon 不得不拒絕一位客戶，該客戶要求零件與頂面有 24 個(gè)盲孔偏移——模具太難加工了。
借助 Form 3L 和High Temp Resin（耐高溫樹脂），Baer 能夠在不到一天的時(shí)間內(nèi)打印和澆注成品聚氨酯部件。
在 Form 3L 到貨之前，Kastalon 團(tuán)隊(duì)不得不告訴客戶，他們無法接受 Tail Puller 夾具模具零件的訂單。盡管經(jīng)過大量試驗(yàn)和錯(cuò)誤后，這可能是可能的，但 24 個(gè)高引腳的陣列并沒有完全通過，它們之間的間隙為 0.79mm。
間隙以及每個(gè)孔都是盲孔且端部偏離頂面的事實(shí)，意味著該零件需要使用非常精細(xì)的長刀具進(jìn)行極其困難的加工。另一種選擇是單獨(dú)制作每個(gè)引腳，然后對(duì)它們進(jìn)行鍵控，使它們以正確的方向?qū)R——對(duì)直徑只有 2.64mm 的引腳，這不是一件容易的事情。
在評(píng)估了這些不同的加工工藝后，該團(tuán)隊(duì)不得不拒絕接受訂單。“我們花了很長時(shí)間討論這是否可行，告訴客戶不行是一個(gè)重大決定，”Baer 說。
僅僅幾周后，F(xiàn)orm 3L 就到貨了，Baer 在半天內(nèi)設(shè)計(jì)并打印了模具，以展示 3D 打印此類復(fù)雜幾何形狀的商業(yè)案例。材料成本剛剛超過 30 美元，設(shè)計(jì)花了他大約兩個(gè)小時(shí)?！懊總€(gè)人都立即對(duì)3D打印技術(shù)產(chǎn)生了極大的尊重。這讓很多工廠員工大開眼界，他們說，'我們可以接受更多的訂單，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以做這樣的事情，'“Baer說。
防壓輪
這些車輪模具（左、上、下）和車輪（右）設(shè)計(jì)為在過載的情況下均勻變形——淚滴形孔均勻分布重量，因此車輪不會(huì)壓碎產(chǎn)品。
當(dāng)微小的特征使模具難以加工時(shí)，F(xiàn)orm 3L 會(huì)大放異彩。這些小型防壓輪用于將軟產(chǎn)品（如紙板包裝）固定在輸送機(jī)系統(tǒng)上，用于代替彈簧組件 - 輪子本身均勻變形以輕輕地將紙板固定到位，而不是彈簧臂對(duì)紙板施加壓力。
然而，車輪模具在用于模制車輪中淚滴形孔的“鰭片”之間有一個(gè)非常小的間隙，因此幾乎不可能制造模具。
輪子寬50.8mm英寸，鰭片之間的壁厚為 3.175 mm?！斑@個(gè)尺寸是可能的，但如果你試圖將設(shè)計(jì)發(fā)送給他們，會(huì)有很多機(jī)械師對(duì)你生氣，”Baer 說。
除了加工的難度之外，多部件鋁模具將產(chǎn)生更復(fù)雜的裝配過程。有一個(gè)權(quán)衡：將模具與翅片作為一個(gè)整體進(jìn)行加工（如上圖所示），并使機(jī)械師的間隙變得極其困難，或者單獨(dú)制作所有翅片并將它們組裝成一個(gè)，這將意味著更多的設(shè)置和更多的小零件組裝，這也會(huì)增加機(jī)械車間的勞動(dòng)力和煩惱。
3D 打印成為合乎邏輯的解決方案，Baer 在 Solidworks 中輕松設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有可拆卸軸承的兩部分模具，然后在 Form 3L 上打印出高溫樹脂和剛性 10K 樹脂。 該團(tuán)隊(duì)使用 Rigid 10K Resin 為客戶鑄造了 25 個(gè)輪子，而成本僅為機(jī)加工模具成本的一小部分。Baer 說：“我們制造了許多種類和樣式非常小的車輪， 在 Form 3L 之前我們無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼘?duì)我們來說不劃算。
機(jī)加工 |
3D打印 |
|
組件數(shù)量 |
21 |
3 |
設(shè)計(jì)用時(shí) |
7小時(shí) |
3小時(shí) |
設(shè)置時(shí)間 |
5小時(shí) |
- |
運(yùn)行時(shí)間 |
35小時(shí) |
12小時(shí) |
總耗時(shí) |
47小時(shí) |
15小時(shí) |
大型彈簧的內(nèi)部測試模型
像這些紅色彈簧這樣的聚氨酯部件傳統(tǒng)上是由大型鋁模具鑄造而成的。
這些鋁模具，或在某些情況下是鋼模具，加工起來既昂貴又耗時(shí)。
休士頓太空人棒球場有一個(gè)可伸縮的圓頂，以應(yīng)對(duì)惡劣天氣，而卡斯塔隆負(fù)責(zé)彈簧，即使在颶風(fēng)條件下也能保持圓頂緊繃和功能正常。
在制造體育場大小的彈簧所需的模具之前，Kastalon 團(tuán)隊(duì)使用縮小版本對(duì)設(shè)計(jì)和材料進(jìn)行了廣泛的測試。稍微改變?cè)O(shè)計(jì)，并測試不同幾何形狀和不同聚氨酯配方的彈簧剛度變化，確保其最終產(chǎn)品在長時(shí)間的高應(yīng)力下得到優(yōu)化。
然而，盡管規(guī)模發(fā)生了變化，但每個(gè)鋁模仍然很昂貴，特別是如果它只是用于內(nèi)部測試?，F(xiàn)在，F(xiàn)orm 3L 使該團(tuán)隊(duì)能夠以更低的成本測試許多不同的彈簧設(shè)計(jì)，并且不會(huì)占用機(jī)加工車間的帶寬。
這些模具（高溫樹脂，左）和鑄造聚氨酯彈簧（橙色，右）是幾何形狀的原型，用于復(fù)制堆疊碟形彈簧。
3D打印使 Baer 和團(tuán)隊(duì)能夠嘗試新的幾何形狀和設(shè)計(jì)，而無需為機(jī)加工車間增加更多工作。
“我們現(xiàn)在可以打印和測試許多奇怪的形狀和幾何形狀，而這些形狀和幾何形狀在以前只是為了測試或研發(fā)而花費(fèi)了一筆不可思議的錢，”Baer說。在不增加高昂的加工材料和勞動(dòng)力成本的情況下測試新的、復(fù)雜的形狀和幾何形狀，使 Kastalon 不僅可以承擔(dān)更多的業(yè)務(wù)，還可以為現(xiàn)有客戶制造更好的零件。
滾筒模具：避免加工軟質(zhì)聚氨酯
對(duì)于涂層輥?zhàn)踊蜉佂蔡淄?，傳統(tǒng)的工作流程包括聚氨酯材料的圓柱形鑄造，并增加一個(gè)加工步驟，以將外徑降低到所需的尺寸和表面光潔度。加工凹槽的附加步驟可以根據(jù)滾子應(yīng)用以各種樣式和尺寸完成。在這種特殊情況下，將長水平槽加工成軟質(zhì)聚氨酯成為一項(xiàng)麻煩的任務(wù)。對(duì)于大訂單，這種手動(dòng)、勞動(dòng)密集型的加工步驟會(huì)削減訂單的利潤，并占用機(jī)加工車間數(shù)小時(shí)的時(shí)間?！凹庸ぼ涃|(zhì)聚氨酯是很麻煩的，它并不總是能給你帶來好的結(jié)果，而且在切割時(shí)并不總是能提供很好的光潔度，”Baer說。
每個(gè)輥?zhàn)又苯蛹庸ぐ疾鄞蠹s需要三個(gè)小時(shí)，但加工單個(gè)金屬模具過于昂貴且風(fēng)險(xiǎn)大，尤其是當(dāng)以前沒有制造過具有這種幾何形狀的模具并且不知道它是否有效時(shí)。為了制作金屬模具，該團(tuán)隊(duì)需要線材工具或帶有分度頭的成型機(jī)，這兩種設(shè)備都是昂貴的設(shè)備，對(duì)于某些幾何形狀和應(yīng)用非常專業(yè)。
加工軟質(zhì)聚氨酯可能既麻煩又耗時(shí)，尤其是在像這種滾筒這樣的大型零件上，它被鑄造成圓柱體，然后加工成最終形狀。
當(dāng)零件很小時(shí)，加工微小的凹槽幾乎是不可能的。Baer已經(jīng)開始打印預(yù)開槽模具，因此每個(gè)鑄件都可以創(chuàng)建出一個(gè)完整的零件，而無需額外的加工。
Baer 意識(shí)到了這種情況，并主動(dòng)嘗試了一些新的東西。他設(shè)計(jì)并打印了一個(gè)模具，將聚氨酯澆鑄成他們需要的凹槽形狀。直接在 Form 3L 上用High Temp Resin 或 Rigid 10K Resin打印，提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，消除了數(shù)小時(shí)的手動(dòng)體力勞動(dòng)。
在選擇材料時(shí)，Baer 會(huì)考慮分辨率和層高、每升成本、強(qiáng)度和顏色/透明度，并且大多數(shù)時(shí)候都會(huì)在高溫樹脂和硬質(zhì) 10K 樹脂之間進(jìn)行選擇。對(duì)于原型、一次性或非常小批量的成型應(yīng)用，使用高溫樹脂是因?yàn)樗某杀据^低且透明——對(duì)于原型，了解內(nèi)部情況以評(píng)估是否需要更改是有幫助的。然而，對(duì)于團(tuán)隊(duì)打算更大批量鑄造的零件，他們將依賴 Rigid 10K Resin 的先進(jìn)機(jī)械性能?！拔覀冏罱恢痹谑褂肦igid 10K Resin，主要是因?yàn)樗梢愿玫爻惺苊撃??！?/p>
機(jī)加工 |
3D打印模具 |
|
件/年 |
40 |
40 |
模具設(shè)計(jì) |
1小時(shí) |
1小時(shí) |
每件成型后的手動(dòng)處理時(shí)間 |
3小時(shí) |
0小時(shí) |
總耗時(shí) |
160小時(shí) |
40小時(shí) |
提高產(chǎn)能，改進(jìn)產(chǎn)品
在不到一年的時(shí)間里，F(xiàn)orm 3L 改變了 Kastalon 的決策流程。工程團(tuán)隊(duì)不再受傳統(tǒng)加工限制的限制，可以接受他們以前不會(huì)嘗試的新訂單，并優(yōu)化流程，這些流程花費(fèi)了數(shù)千美元的勞動(dòng)力和材料。
“我們的銷量一直在增加。我們獲得了很大的信心，F(xiàn)orm 3L 的訂單一直在穩(wěn)步增長。我們能夠嘗試新事物，并幫助銷售團(tuán)隊(duì)為客戶提供他們想要的東西，即使是其中的一兩個(gè)，只是為了看到這是可能的。
Brian Baer， 工程師
Kastalon 的機(jī)械師在準(zhǔn)確性、一致性和卓越性方面建立了聲譽(yù)。起初，將3D打印模具添加到組合中是一項(xiàng)艱難的銷售，但結(jié)果不言而喻。通過展示光固化SLA技術(shù)打印材料的機(jī)械性能、精度和幾何設(shè)計(jì)自由度，即使是機(jī)加工車間的工頭也會(huì)將零件發(fā)送到打印機(jī)。
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