In 3D
Thiết kế đồ gá ( jig, fixture) với máy in3D
1/ Giới thiệu
Với nhiều công ty sản xuất, liên tục làm việc để cải thiện năng suất và chi phí thấp hơn, các kỹ thuật sản xuất tinh gọn như thực hiện kẹp, đồ gá lắp và đồ gá trong dây chuyền sản xuất giúp đạt được những mục tiêu này. Mức độ tùy biến và độ phức tạp cao mà gia công bù đắp, in3d AM cho phép trong một thiết kế kết hợp với tốc độ và độ chính xác mà các sản phẩm có thể được thực hiện, làm cho nó trở thành một giải pháp lý tưởng để sản xuất kẹp, đồ gá.
Bài viết này sẽ thảo luận về lợi ích của kẹp, đồ gá in 3D và trình bày các ứng dụng phổ biến nơi in 3D đã được thực hiện thành công. Bài viết này cũng sẽ cung cấp một số quy tắc thiết kế để các kỹ sư tuân theo khi thiết kế kẹp, đồ gá được sản xuất thông qua in 3D.
2/ Kẹp, đồ gá lắp và đồ gá là gì?
Kẹp, đồ gá lắp và đồ gá là dụng cụ cơ bản được sử dụng để hỗ trợ gia công, định vị và lắp ráp các sản phẩm trong nhiều quy trình của sản xuất. Kẹp, đồ gá lắp và đồ gá có thể được chế tạo từ một loạt các vật liệu (thường là thép hoặc nhôm) và được gia công CNC đến một dung sai cao để cho phép một sản phẩm xác định chính xác vào vị trí mong muốn. Đồ gá lắp và đồ gá cũng có thể bao gồm các tệp đính kèm cho phép sản phẩm được bảo mật tại chỗ. Mức độ tùy biến và độ chính xác cao cần thiết cho kẹp, đồ gá lắp và đồ gá thường dẫn đến thời gian sản xuất dài.
- Kẹp: Một phần của quy trình tự động hóa tiếp xúc với phôi thường được sử dụng để chuyển hoặc định hướng sản phẩm. Chúng thường được thiết kế tùy chỉnh để phù hợp với một phần hình học.
- Đồ gá (dẫn hướng): Giữ phôi tại chỗ và cũng hướng dẫn dụng cụ cắt (ví dụ: mũi khoan được sử dụng cho mũi khoan dẫn hướng vào đúng vị trí). Đồ gá thường không được gắn vào máy và có thể dễ dàng thao tác để căn chỉnh với công cụ cắt. Độ chính xác của một chi tiết không phụ thuộc vào người vận hành.
- Đồ gá lắp: Định vị, giữ và hỗ trợ phôi một cách an toàn khi gia công hoặc lắp ráp diễn ra (một phó là một vật cố đơn giản). Đồ gá gia công thường được bảo đảm an toàn cho máy để chịu được lực gia công lớn mà sản phẩm phải chịu. Độ chính xác của một chi tiết vẫn phụ thuộc vào người vận hành hoặc người lắp ráp.
3/ Lợi ích của việc sử dụng đồ gá trong in 3D
Việc sử dụng kẹp, đồ gá lắp và đồ gá cho phép mang lại nhiều lợi ích bao gồm:
- Tăng năng suất
- Giảm tiêu hao vật tư
- Cải thiện độ chính xác và độ lặp lại của các sản phẩm
- An toàn lao động tốt hơn
- Yêu cầu kỹ năng thấp
- Lợi ích của việc sử dụng in 3D
3.1/ Giá cả
Lợi ích chính của in 3D là giảm chi phí. Phần lớn các khoản tiết kiệm đến từ việc giảm chi phí gia công cao. Thông thường, một tay cầm hoặc đồ gá sẽ được gửi đi để được gia công bởi một người vận hành có tay nghề cao trên máy CNC trong một số ngày. Với in 3D, một khi thiết kế mô hình 3D hoàn tất, tệp sẽ được đưa đến máy in gần nhất, nhanh chóng phân tích và in trên máy đòi hỏi rất ít sự can thiệp của con người. Kẹp và đồ gá được thực hiện thông qua in 3D cũng được sản xuất với vật liệu rẻ hơn nhiều so với kẹp và đồ gá truyền thống giúp giảm chi phí.
3.2/ Tốc độ
Lợi ích chính khác của kẹp và đồ gá in 3D là tốc độ chúng có thể được sản xuất. Gia công hình học kim loại phức tạp cần có kế hoạch đáng kể và các nhà thiết kế CAM và vận hành máy có tay nghề cao. Điều này có thể dẫn đến thời gian cần thiết cho gia công CNC mất vài ngày hoặc thậm chí vài tuần trước khi một chi tiết được hoàn thành. Bằng cách sử dụng in 3D để thay thế một công cụ lắp ráp bằng nhôm (xem hình ảnh bên dưới), một nhà sản xuất ô tô nổi tiếng đã có thể cắt giảm 92% thời gian xuất hàng từ 18 ngày xuống còn 1,5 ngày.
3.3/ Nguyên vật liệu
In 3D cung cấp một loạt các vật liệu trên một loạt các công nghệ. Các đặc tính vật liệu kỹ thuật như kháng hóa chất, chống cháy, chịu nhiệt và ổn định tia cực tím hiện đang có mặt rộng rãi trong ngành in 3D. Các sản phẩm có thể được sản xuất hoặc hoàn thiện với nhiều màu sắc và chất lượng bề mặt. Các vật liệu polymer được sử dụng trong in 3D cũng có nghĩa là tác động tiêu cực của các sản phẩm (tiếp xúc với kẹp hoặc đồ gá) bị hạn chế trong quá trình xử lý và lắp ráp khi so sánh với đồ gá kim loại truyền thống hơn.
3.4/ Cân nặng
Kẹp và đồ đạc thường xuyên được thao tác bởi công nhân. Phần lớn các vật liệu được sử dụng trong in 3D nhẹ hơn nhôm giúp giảm tải cho công nhân và cải thiện sự an toàn. Các sản phẩm FDM công nghiệp không được in rắn mà thay vào đó sẽ rỗng bên trong làm giảm trọng lượng của các sản phẩm.
3.5/ Thiết kế lặp
Tốc độ mà in 3D có thể tạo ra các sản phẩm giúp các nhà thiết kế tự do hơn nhiều để tối ưu hóa thiết kế thông qua một số lần lặp. Các công nghệ in 3D cũng cho phép các thiết kế phức tạp và tiện dụng dễ dàng được sản xuất để cải thiện sự tương tác và thoải mái của người lao động.
3.6/ Độ chính xác cao
Một số công nghệ in 3D có thể tạo ra độ chính xác cao (FDM công nghiệp – ± 0,2 mm, SLA – ± 0,05 mm và SLS – ± 0,1 mm). SLA và SLS cũng có thể tạo ra các chi tiết tinh xảo và phức tạp cũng như các kết nối chức năng như khít vừa vặn và các tính năng lồng vào nhau.
Các ứng dụng và giải pháp phổ biến:
| Ứng dụng | Yêu cầu | Giải pháp |
| Cụm đồ gá | Mức độ tùy biến cao cho phù hợp với hình học chi tiết
Đơn giản để an toàn cho một bàn gá đặt Thiết kế gọn nhẹ Điện tử tích hợp Vật liệu chống mài mòn sẽ không làm hỏng các bộ phận |
FDM công nghiệp cho phép kích thước khổ in lớn và sử dụng một loạt các vật liệu kỹ thuật (bao gồm nylon và PEEK). Rất hiệu quả về chi phí so với các phương pháp sản xuất truyền thống và một trong những phương pháp in 3D nhanh hơn. |
| Gá kẹp cánh tay robot | Độ chính xác cao để lắp ráp chính xác hình học
Vật liệu chống hóa chất và mài mòn Khả năng thay thế và thay thế đơn giản |
SLS sản xuất các bộ phận chịu mài mòn và hóa chất với độ chính xác cao (± 0,1 mm) từ nylon thiêu kết mà không cần hỗ trợ và rất ít ràng buộc thiết kế. |
| Thiết bị lắp ráp cầm tay | Vật liệu nhẹ và cứng
Thiết kế công thái học với hình dạng hữu cơ phức tạp Thêm ren hoặc lỗ để gắn dấu ngoặc Vị trí chính xác |
FDM công nghiệp có thể sản xuất các bộ phận lớn, nhẹ. Có khả năng tạo ra các lỗ ren có nghĩa là các bộ phận có thể được lắp ráp với nhau. |
| Đồ gá dùng cho máy đo CMM | Kết nối cứng với chi tiết để định vị chính xác trong quá trình đo
In nhanh để cho phép thử nghiệm nguyên mẫu chính xác Mức độ tùy biến cao Lặp lại thiết kế nhanh chóng để phù hợp với thay đổi thiết kế Không có dấu vết tiếp xúc hoặc trầy xước |
Các thành phần SLA được sản xuất bằng nhựa photopolymer và cho phép mức độ chi tiết và độ chính xác cao (± 0,05 mm). Có một loạt các loại nhựa kỹ thuật có sẵn với các thuộc tính để phù hợp với tất cả các ứng dụng. Trong khi thể tích in SLA thường nhỏ hơn nhiều so với FDM hoặc SLS công nghiệp, các bộ phận SLA có thể được in dưới dạng tệp đính kèm với các kết nối phổ quát lớn hơn. |
| Dưỡng đo | Độ chính xác cao
Vật liệu chống hóa chất và mài mòn Dễ dàng bảo trì và thay thế |
SLA là hoàn hảo cho các chi tiết tốt trong đó có vấn đề cân bàn tự động và phù hợp là quan trọng. |
| Các loại hộp tùy chỉnh | Độ chính xác thấp cần thiết
Mức độ tùy biến cao Công cụ dễ dàng loại bỏ và vị trí Kích thước lớn Mã màu |
FDM công nghiệp cung cấp thể tích in lớn và cung cấp độ chính xác kích thước tốt (± 0,2 mm). Thật dễ dàng để thiết kế và in với và có nhiều màu sắc để nhận dạng công cụ dễ dàng |
3.7/ Ứng dụng thực tế – Kẹp robot Dixon Valve
(Thông tin từ Markforged)
Cơ sở sản xuất Dixon Valve từ Mỹ tại Maryland, Hoa Kỳ, liên quan đến hàng ngàn van, phụ kiện và đồng hồ đo khác nhau. Mỗi dòng sản phẩm đòi hỏi thiết bị tùy chỉnh, bao gồm dụng cụ và kẹp để giữ các sản phẩm cụ thể một cách hiệu quả. Để giảm chi phí và tiết kiệm thời gian, Dixon Valve sử dụng cánh tay robot trong các cụm của dây chuyền sản xuất để chuyển sản phẩm. Tay gắp tùy chỉnh gắn vào cuối mỗi cánh tay robot được sử dụng trên dây chuyền đòi hỏi độ bền cao, cần phải thân thiện và an toàn với người dùng, có khả năng kháng hóa chất do môi trường làm việc và chống mài mòn khi sử dụng nhiều lần. Sau khi so sánh các kỹ thuật sản xuất truyền thống với các tùy chọn in 3D, một bộ kẹp Onyx (được in trên máy in Markforged) đã được thiết kế và in cho phần cuối của mỗi cánh tay robot. Tiết kiệm thời gian và chi phí được tóm tắt trong bảng dưới đây.
3.8/ Chi phí thời gian
Dịch vụ gia công CNC $ 290,35 72 giờ + vận chuyển
In trên Markforged $ 9.06 (-97%) 9 giờ, 20 phút (-87%)
Tay kẹp tùy chỉnh được sử dụng trên một cánh tay robot tự động đến vị trí (hình ảnh từ Markforged)
Nguồn tham khảo: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/3d-printing-grips-jigs-and-fixtures