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1、解决方案指南复合 3D 打印如何优化 生产运营挑战解决生产车间的日常问题并非易事。您不仅需要提高产量,有时甚至还被要求在不切实际的时间内完成。您还需要不断提升质量,并在出现问题时尽一切努力让生产恢复正常。除此之外,您的 KPI 之一很可能是要在完成上述所有工作的同时降低成本。如果您是制造工程师或生产经理,这可能听起来很熟悉。这代表着一系列难以实现并且相互矛盾的目标。情况真有可能好转吗,尤其是在资源时常缺乏的情况下?我们在此告诉您,这些都是可能实现的。但实现这些目标的前提是遵循一套对现状提出挑战的策略。这包括改变对您机构中如何使用模具保证工厂车间运行的思路,以便使您的运营更具效率、安全性和成本效
2、益。具体而言,是指通过集成 3D 打印模具来弥补传统金属模具制造的不足之处。2解决方案指南所有制造作业都需要利用夹具、固定装置和类似的模具才能制造产品。这些模具是生产过程中不可或缺的一部分。现在的问题在于,大多数制造商都依赖于传统模具,这些通常是由用螺栓固定或焊接在一起的机加工金属零件组成。尽管自工业化时代之初,传统模具一直有着优异的表现,但 3D 打印的模具可提供传统模具无法带来的优势。在深入阐述此点前,让我们先仔细了解一下当前生产模具的思路。您生产车间中的模具可能十分有限,仅支持达到一定的生产速度和质量水平。这些模具之所以有限,是因为其制造成本很高,且依赖于经验丰富的机械师。此外,标准的可
3、制造性设计的约束也限制了这些模具的几何形状。在减材制造过程中,通常会浪费大量材料。使用 CNC 加工、焊接和组装等传统方式制作模具也会花费大量的时间。如果采用外包方式,供应商的积压任务、周转时间和发货过程也会延长交付时间。企业内部生产过程也会遭遇类似的限制。此外,本地制作模具也会消耗很多资源,而这些资源可以用做其他生产活动并带来更多的盈利。但即使您的内部机加工车间无法为您处理最终产品,为什么要让经验丰富的机械师忙于那些原本可以通过 3D 打印来制作的更简单的、要求低的模具呢?金属模具通常很重,大型的模具也不便于操作。它们可能会带给操作人员更多限制,并导致受伤。如果这些模具需要使用桥式起重机和吊
4、机才能移动,将进一步减慢工作速度。通常,这些模具仅仅是为工作任务而设计的,并不会考虑到使用者。而这将导致疲劳和重复性的运动损伤,因为工作人员只会去适应这些模具。这种模具使用模式一直以来是大多数制造作业的规范。但这会限制制造商优化作业的能力,从而带来负面效果。这些可能听起来有些违背我们的直观感受,因为模具毕竟会有利于生产。但如果模具费用过高、难以验证且制造时间过长,那么制造更多模具有助于带来切实改进的观点则很难立住脚。因此,大多数作业仅仅是照做,并且认为这是应有的成本。对于机加工作业,还需增加更多的机床以增加产能。但这种解决方案的费用可能很高,且需要技术娴熟的操作人员,而这类操作人员却是日益减少
5、的稀缺资源。复合 3D 打印如何优化生产运营3解决方案指南现状背后的陷阱您需要试问自己:保持现状是否有助于减少日常出现的制造挑战?保持现状似乎是一张安全牌,但这很可能是因为您已经适应了。这并不意味着情况正在好转。让我们了解一下两家大型制造商卡特彼勒和通用汽车的经验,然后反思其问题是否与您的亲身经历相似。没有制造商可以幸免 作为世界领先的建筑和采矿设备、柴油和天然气发动机等工业产品的制造商,卡特彼勒面临着生产方面的挑战。其中一个小例子是关于其 3500 系列发动机上的钻孔操作。在一项机加工操作中使用的钻孔夹头损坏导致了生产停止。采购替换夹头的交付时间为四周。与之相比,在内部以机加工方式制造一个夹
6、头稍快一些,但仍需要三个轮班和三个工作日。虽然更换或加工新零件的成本仅为 700 至 1000 美元,但通过传统方法解决问题所损失的生产时间却价值高达数十万美元。通用汽车公司在雪佛兰 Equinox SUV跨界车的生产中也出现了类似的情况。通用汽车正在寻找一种更好的模具来将金属板连接在一起。这些模具每年都必须随车型的改变而变化。它们传统上由铝加工而成,但交货期通常为 10 周或者更长。模具还很重,需要协助搬运。在预生产环境中使用时,可能需要更改这些模具的配置,以适应设计更新。在交货期为 10 周的情况下,新模具会迫使制造团队追赶生产进度。您将如何处理这些情况?您是否愿意接受以传统方式制造新模具
7、而带来的时间和成本损失,并将其视为在生产环境中经营的成本?您可能不是制造汽车或重型设备,但这些示例所反映的重点同样适用于您。无论制造规模和复杂程度如何,没有制造商能免受因模具损坏、故障、效果不佳或过时所导致的生产中断的影响。传统解决办法已不足以保持竞争力。4解决方案指南解决方案 卡特彼勒和通用汽车都找到了更好的方法。他们选择了 3D 打印模具,而不是接受以传统方式制造模具所带来的阻碍,即时间和成本损失。好消息是,该解决方案几乎适用于任何制造商,无论规模大小。使用耐用的热塑材料通过 FDM 技术(而非机加工)制造的 3D 打印模具是优化工厂车间作业的关键。3D 打印模具有助于增加产量、提高质量、
8、降低成本并减少工伤。制造流程中的几乎所有方面都能从中受益,包括生产和组装、质量控制和检验、健康和安全性,以及包装和物流。降低成本就成本而言,增材制造模具的制作费用通常较低。除了打印机的成本,您仅仅需要打印模具的材料成本。这与减材加工形成了鲜明对比,后者会浪费大量材料。与 CNC 铣床不同的是,3D 打印机无需专门或技术高超的操作员。3D 打印作业开始后到零件打印完成之前都是无需干预的,这无疑会解放您的团队,让他们可以专注于其他任务。缩短交付时间 另一项重要优势是缩短交付时间。3D 打印模具比传统方式速度更快。3D 打印避免了与外包或内部加工车间任务积压相关的延迟。与传统模具制造过程相比,采用
9、3D 打印模具的企业可节省 80%至 90%的周转时间。这在模具损坏、生产暂停或您需要为新生产线制造模具时显得尤为重要。连夜 3D 打印模具的能力可大幅减少生产停机时间。这款3D 打印的碳纤维模具用于重型卡车装配线上,可在车轴 U 形螺栓板组件上准确定位螺栓。与机加工制作图中的金属成型模具相比,使用3D 打印通常能以更快的速度制作,且成本更低。5解决方案指南加快设计迭代3D 打印可以让您对模具设计进行更高效的迭代。打印模具、检验模具,如果需要调整,就修改 CAD 设计并再打印一次。通过此方式,您可以优化您的设计并实现最佳效果。在大多数情况下,机械加工模具由于时间和成本因素都不太可能实现这些。轻
10、松优化设计自由提供了额外的益处,因为它可避免典型的制造限制。例如,使用 3D 打印模具,您可以改变材料密度,在关键应力部位增加材料,在非应力部位减少材料。这一变化可在打印作业期间自动处理,从而制造出重量更轻、更易于使用的模具。使用金属模具将很难达到同样的目的。这项功能还可以让您创建更符合人体工程学的模具,帮助您轻松高效地完成任务。低成本、快速创建和优化设计,结合这些优势可以在生产流程中创建和部署更多模具,还可让您在模具损坏时快速应对。更快的生产速度减少了组建新生产线所需的时间。有的模具能让作业更高效和更精确,但之前因为时间或成本而无法被证实其优势,而现在这些模具可以得到验证了。新模具有助于轻松
11、完成作业,同时提升效率。在装配线上应用更多匹配度检验模具可及时发现质量缺陷,并采取应对措施。这是在整个生产流程中降低成本和提升效率带来的复合效果。笨重、复杂的汽车玻璃安装夹具(左图)与重量更轻、更符合人体工程学且成本更低的 3D 打印替代品(右图)。6解决方案指南充分利用碳纤维材料的优势此时,您可能会质疑,由热塑材料制成的模具坚固程度是否足以取代相应的金属模具。毋庸置疑,答案取决于具体应用,但现实可能会让您大吃一惊。在许多情况下,热塑材料所具备的强度足以满足需求;如果一定要指出不足之处,那就是刚度有所欠缺。使用碳纤维增强的复合材料弥补了这一不足之处,显著改善了基材的机械性能。这提升了材料的刚度
12、,同时使其重量比金属轻得多。对于一些制造商而言,用热塑材料制造模具是一种思考模式的转变。但考虑到将其搭配 3D 打印机使用时所带来的效果(与对材料进行机加工或模塑成型相比),即可轻松做出转而选择塑料模具的决策。因此,当您希望享受 3D 打印塑料模具的优势,但又需要额外的强度和硬度时,碳纤维增强复合材料就是理想之选。此类材料可帮助制造商在适当情况下替换金属模具,这一解决方案不受设计限制,可更快地创建和投入使用,还可减轻制造上的劳动力成本。Stratasys 目前有三款碳纤维填充的复合热塑材料可供选择:ABS-CF10、FDM Nylon-CF10 和 FDM Nylon 12CF。以下信息详细介
13、绍了每一种材料。图中的机械臂末端执行器采用 ABS-CF10 碳纤维材料制造,为较重的金属末端执行器提供了重量轻但坚硬的替代品。7解决方案指南ABS-CF10 ABS-CF10 是由 10%的短切碳纤维和 ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)塑料构成的混合物。这种 3D 打印材料的硬度和强度分别比标准 ABS 高 50%和 15%。对于需要 ABS 较轻的重量以及比基础聚合物更高硬度的模具应用,ABS-CF10 是合适之选。这种材料还可提供从金属过渡至聚合物 3D 打印模具的天然途径。由于结构原因,许多制造辅具不需要用金属加工。而使用强度和硬度优于标准塑料的聚合物可确保 3D 打印的模具具有足够的耐用
14、性来执行任务。ABS-CF10 目前可用于 Stratasys F123 系列打印机。这些打印机忠实地服务于各行各业的制造商、设计公司及诸多其他企业。它们操作简单,具有一致且可靠的性能,在业内享有盛誉。碳纤维材料的磨蚀性可能会加重打印头磨损的情况。F123 系列打印机可使用标准打印头打印 ABS-CF10,但我们不建议这样做,因为这会加重打印头的磨损并缩短其寿命。最好的选择是为此材料使用专用的打印头。F123 打印机的优点之一是,其打印头可以快速方便地更换,因此使用标准热塑材料和 ABS-CF10 进行打印非常简单。使用案例-合适的材料可制造理想的模具Center for Advanced D
15、esign(CAD)专门从事设计服务,致力于开发涵盖从消费品到模具的各种产品。其目标是通过创新理念、软件和开发工具将客户的愿景变为现实。CAD 的重要首选工具之一是 3D 打印,该技术让 CAD 能够将初始设计快速转化为实物,从而加快验证和改进。图中的管道焊接装配夹具使用 ABS-CF10 材料制造而成。8解决方案指南CAD 开发的模具解决方案之一涉及为电动汽车制造商开发机械臂末端执行器。该末端执行器用于安装汽车面板和玻璃部件。将经过优化的末端执行器用于作业对于成功实现特定功能至关重要。如果末端执行器太大或太重,就会减慢生产过程或对机械臂电机施加过多负荷。末端执行器还必须具有足够的硬度,以避免
16、在将零件拾取和移动至车辆上时发生任何偏斜。CAD 的解决方案是使用 ABS-CF10 3D 打印形状特别的末端执行器。碳纤维 ABS 材料可提供足够的硬度,且重量更轻,因此末端执行器对于机械臂而言不会过重。3D 打印还可提供设计和制造能力,以优化模具形状,并以更快的速度生产出来。CAD 使用 ABS-CF10 制造了这款多臂末端执行器,用于安装汽车挡风玻璃和车身面板。9解决方案指南FDM Nylon-CF10 顾名思义,FDM Nylon-CF10 是一种基于尼龙的聚合物,含 10%的短切碳纤维(按重量计)。碳纤维的添加提高了材料的强度和硬度,并且用这种材料打印的零件仍具有光滑的表面。FDM
17、Nylon-CF10 可用于 F123CR 复合系列打印机,包括 F190CR 和 F370CR 打印机。这些打印机的整个打印丝材输送部件都经过了强化,以适应复合材料具有的磨蚀性特性。与 ABS-CF10 相比,FDM Nylon-CF10 的材料能力大幅提升,它的强度和硬度分别提高了 62%和近 80%。除了机械性能更佳外,FDM Nylon-CF10 的尼龙混合基础材料还增强了其耐化学性。对于可能会接触到油污和切削液的工件夹具,使用这款复合 3D 打印材料制作是很有优势的。这款材料的主要优点体现在为 F123CR 打印机带来的功能方面,主要针对需要更强功能的模具应用,如铁卡爪、制动成型模具
18、及类似的用途。此外,F123CR 打印机不仅经济实惠,还具有经过验证的 99%运行时间性能记录。使用案例-加快铁卡爪和复杂工件夹具的制造速度制造具有复杂几何结构的铁卡爪和工件夹具是许多加工车间常遇到的挑战。这些模具的加工所占用的内部资源,通常还要用于进行有助于企业盈利的生产活动。如果将这些模具的制造转移至 3D 打印机上,则可以释放这些加工资源,使其用于增值生产。由于无需 CNC 编程和机器设置,3D 打印模具通常可以比机加工同类产品更快地创建并投入制作。第 10 页所示的多轴加工夹具为示例之一。它用于加工金属球体,而使用传统模具制造则需要多个零件和设置,不仅耗时,而且成本也很高。因此,该夹具
19、十分适合使用 FDM Nylon-CF10 材料通过 3D 打印来制作。3D 打印与生俱来的自由度不受典型的可制造性限制,能够制造诸如该夹具的复杂模具。此外,碳纤维填充的复合材料的强度和硬度提供了模具承受机加工载荷的能力。10解决方案指南相同的原理适用于下图所示的铁卡爪。随着工件形状变得越来越复杂,需要花费更多时间和精力来制造加工零件用的夹具。对于产能饱和的加工车间,定制工件夹具为本来就十分紧张的生产计划带来了额外的压力。使用3D 打印 FDM Nylon-CF10 等复合材料为满足上述需求提供了另一种解决方案。11解决方案指南使用案例-重量更轻的生产模具替代品当通用汽车需要新的高架输送机提升
20、系统来支持新车的生产时,他们本可以采用传统方法并使用金属材料。但通用汽车转而选择 3D 打印,原因在于金属解决方案过重,且无法提供如增材制造这般的后期操作效率和成本效率。因此,通用汽车选择使用 FDM Nylon 12CF,通过 3D 打印制造高架输送机的零件。该材料为通用汽车提供了重量轻且强度高的理想组合。与机加工零件相比,3D 打印零件还可以更快地实施。最终,通用汽车的 3D 打印碳纤维解决方案使零件重量减轻了 32%,并使交货时间缩短了 75%。高架输送机系统的渲染图,其中3D 打印的零件托架以灰色显示。FDM Nylon 12CFFDM Nylon 12CF 是尼龙 12 和短切碳纤维
21、(按重量计含 35%)的混合物。这种组合使热塑材料具备FDM 材料中最高的硬度重量比,非常适合作为金属的替代品。典型用途包括制作重量轻但坚固的夹具和其他制造模具。能够使用 FDM Nylon 12CF 材料的 Stratasys 3D 打印机包括 Fortus 450mc 和 F900。这两款打印机的主要区别在于材料的可用性和打印尺寸,F900 的这两项参数均更优。12解决方案指南选择合适的碳纤维材料 所有三种复合材料均比其未填充的基础材料具有更高的机械性能。评估材料的相对性能和您的预期用途有助于您做出正确的选择。表 1 比较了这些材料的两项重要的机械性能。抗弯强度是衡量材料硬度的指标,也是碳
22、纤维填充的复合材料的重要属性。ABS-CF10 是一种多功能材料,与基础商品工程塑料相比,其机械性能更优。这种材料十分适合需要硬度高于标准 ABS 的使用案例,包括轻型夹具、钻孔导向器和其他制造辅具。FDM Nylon-CF10 可提供的强度和硬度明显高于 ABS-CF10。这种材料具有良好的耐化学性,可与存在切削液和类似化合物的加工环境兼容。可用它来代替金属制造工件夹具、铁卡爪和类似的加工辅具。FDM Nylon 12CF 适合需要更高硬度和强度以适应更苛刻模具应用的情况。如表 1 所示,FDM Nylon 12CF 的机械性能在三种材料中最优。如同 FDM Nylon-CF10,FDM N
23、ylon 12CF 也表现出良好的耐化学性。但其表面比 FDM Nylon-CF10 略粗糙,后者表面更加光滑。这些材料可用于表 2 中所示的打印机。ABS-CF10FDM Nylon-CF10FDM Nylon 12CFF170F190CRF270F370F370CRFortus 450mcF900表 1-三种复合 FDM 材料的机械性能。表 2-打印机的材料可用性。抗弯强度拉伸强度13解决方案指南 2022 Stratasys。保留所有权利。Stratasys、Stratasys 图章徽标、FDM、F370 和 F370CR 是 Stratasys Inc.的注册商标。F170、F270、
24、F190CR、Fortus 450mc、F900、FDM Nylon 12CF、FDM Nylon-CF10 和 F123 系列是 Stratasys,Inc.的商标。所有其他商标由各自所有者所有,有关这些非 Stratasys 公司产品的选择、性能或使用的问题,Stratasys 公司不承担任何责任。产品规格如有变更,恕不另行通知。SG_FDM_Carbon Fiber Tooling_A4_0322a美国总部7665 Commerce Way,Eden Prairie,MN 55344,USA+1 952 937 3000 以色列总部1 Holtzman St.,Science Park,
25、PO Box 2496 Rehovot 76124,Israel +972 74 745 4000中国上海上海市静安区灵石路 718 号 A3 幢一楼邮编:200072电话:+86 21 3319 6068www.stratasys- ISO 9001:2015 认证Stratasys 官方微信打造更高效的工厂车间在许多情况下,复合 3D 打印材料可提供许多工厂车间模具应用所需的强度和硬度。这类材料提供了一种有效的方法来克服制造过程中常见的进度和成本挑战。用于制造替换模具、加工夹具和其他制造辅具时,这类材料可在制定生产计划、满足运营预算或避免工时损失方面产生积极影响。眼见为实。我们诚邀您获取每种材料的样品,以了解其触感和硬度。如需订购材料样品,请访问 https:/www.stratasys-