3D-printen verbetert automatisering in metaalbewerking

Handmatige onderdeelinspectie op regelmatige intervallen causeerde deze geautomatiseerde draaicel om productie te pauzeren. 3D-printen van een onderdeelverzamel-gloot voor levering buiten de cel elimineerde dat probleem. (Alle foto's zijn courtesy van Superior Metal Products, tenzij anders aangegeven.)

Een jaar geleden kon ik Omaha’s Superior Metal Products bezoeken om een artikel te schrijven over een complexe, robotische cel waarin een Doosan TW2600 tweespindle-draaicentrum wijkoperaties uitvoerde op een familie gegoten, buigzame-ijzer pomponderdelen. Kortom, die cel had een inkomende band die werkstukken voedde aan een FANUC-robot die ze in de machine laadde, en vervolgens voltooide onderdelen ontladde en op een kar plaatste.

Dit was de zaak’s tweede robotische machining-cel. De eerste, geïnstalleerd in 2018, heeft een Okuma LB3000 EXII-draaicentrum dat onbeheerd draait dankzij een LoadAssistant robotische laad- en werkstukopslaag-eenheid van Halter. Deze zelfstandige eenheid, die net aan de linkerkant van de machine’s deur geïnstalleerd is, heeft een FANUC-robot en een tweezijdige, indexeerbare tafel om grondstofblanks en voltooide onderdelen respectievelijk te houden. Operators kunnen veilig de ene helft van de tafel benaderen om voltooide onderdelen te verwijderen en nieuwe blanks te laden terwijl de robot materiaal manipuleert om de machine op de andere helft van de tafel te bedienen.

Deze foto, een die ik nam voordat de onderdeelverzamel-gloot toegevoegd was, toont hoe de operator de robotzone moest betreden om een onderdeel te benaderen om te inspecteren.

Gedeeltelijke afscheiding scheidt de machineoperator van het deel van de opslagtabel dat de robot kan benaderen. Echter, het gebied voor de machine’s deur is open om de operator in staat te stellen de machine te benaderen wanneer nodig. Dit is mogelijk omdat de eenheid’s laserscanner kan detecteren wanneer de operator dat gebied nader. Het activeert de robot om te vertragen wanneer een persoon een gedefinieerde outer-vloerveiligheidszone binnenkomt en te stoppen als de persoon de gedefinieerde inner-zone nader bij de machine en robot binnenkomt.

Over de jaren heeft deze opstelling Superior Metal Products in staat gesteld om een aanzienlijke hoeveelheid onbeheerde machine-operatie te realiseren. Dat gezegd, vereiste inspectie van onderdelen op gedefinieerde intervallen dat de operator de veiligheidszones betrad om onderdelen te meten, tijdelijk productie onderbrekend. Een slimme, plastic onderdeelverzamel-gloot geprint op de zaak’s desktop-3D-printer en geïnstalleerd op de LoadAssistant-afscheiding loste dat probleem op. De robot kan nu onderdelen die geïnspecteerd moeten worden de gloot naar beneden laten vallen waar de operator ze op een bak kan benaderen zonder de laserscanned veiligheidszones te betreden en zonder productie te stoppen. Feitelijk is dit slechts één voorbeeld van hoe Superior Metal Products zijn 3D-printer heeft gebruikt om items te maken die niet alleen nuttig zijn op de werkvloer maar die misschien makkelijker te creëren zijn dan traditionele machining.

Printen als alternatief voor machining

Superior Metal Products heeft een rijkdom aan apparatuur in zijn 30.000-vk-voet faciliteit. Dit omvat VMCs, HMCs en draaicentra, alsook hobl-, broach-, slijp-, lap-, las- en balansapparatuur. De zaak’s 3D-kunststofprinter, een Lulzbot TAZ-6 desktop-model, werd eind 2017 gekocht.

De eerste stap naar 3D-printen is het creëren van een CAD-model van het(de) onderdeel(en). Hier is een model van de componenten die de onderdeelverzamel-gloot vormen.

Frank O’Connor, Superior Metal Products’ president, zegt dat hoewel hij niet precies wist hoe de printer de behoeften van de zaak zou ondersteunen, het moment goed voelde om te kopen en te experimenteren. Sindsdien heeft de zaak een aantal items geprint die waardevol zijn gebleken ter ondersteuning van diverse machining- en fabricageprocessen in zijn faciliteit.

“Het is verbazingwekkend hoeveel interne toepassingen een typische machinezaak voor 3D-geprinte items kan hebben, zegt O’Connor. “Terwijl het waar is dat sommige items gemachineerd kunnen worden, is het produceren ervan via 3D-printen soms de makkelijkere weg.”

Hij legt uit dat met 3D-printen, hij een CAD-model van het onderdeel maakt; een handvol printparameters instelt, waaronder temperatuur, percentage van infill (interne geometrie) en wanddikte; op “print” drukt; en later terugkeert om een voltooind onderdeel op de printer’s build-plaat te vinden. Met machining, zou hij een schets of datzelfde CAD-model van het onderdeel moeten maken; een CNC-programma schrijven (nu zou de 3D-printer het onderdeel kunnen printen en hij kan bezig zijn met iets anders); grondstofblanks vinden en zagen; snijgereedschappen en mogelijk spanningsapparaten verzamelen; de machine opzetten; en tenslotte het gemachineerde onderdeel inspecteren. Dit verbruikt niet alleen zijn tijd maar ook die van een machine die anders productieonderdelen zou kunnen draaien.

“Ik knock machining niet af. Machining is veel cooler dan 3D-printen,” grapt O’Connor. “Behalve, mijn levensonderhoud berust op een vraag naar gemachineerde onderdelen. Maar, voor one-offs of low-volume stukken die veilig en betrouwbaar kunnen functioneren wanneer gemaakt van printbare materialen, is 3D-printen een leuke optie.”

Hier is het hoofdgedeelte van de onderdeellogt mid-print. Let op de supports in het midden die verwijderd worden zodra de print compleet is.

De onderdeellogt met verzamelbak voor de geautomatiseerde Okuma-cel is een goed voorbeeld. De ingang van de logt bevindt zich in het beschermde gebied (binnen de afscheiding en laserscanned-zones) en de uitgang buiten dat gebied. O’Connor zegt voordelen omvatten niet alleen toegang tot het onderdeel zonder productie te pauzeren en consistente naleving van inspectiefrequentie, maar ook dat de cel-operator een taak nabij de cel kan uitvoeren en snel kan kijken naar onderdeelaanwezigheid in de bak om te weten of het tijd is om een onderdeel te inspecteren.

O’Connor zegt dat de robot-onderdeel-drop-operatie een custom-routine is gecreëerd via de LoadAssistant-besturing. De operator voegt de routine simpelweg toe aan de robot-taaklijst en vult dan een registerwaarde in de FANUC-teach-pendant in om de inspectie-drop-frequentie te definiëren. Wanneer de register-telling wordt gehaald, wordt het volgende voltooide onderdeel in de logt geplaatst, in plaats van geleverd aan de LoadAssistant-tafel. “Het nette aspect van de custom-routine is dat het de Halter-conversationele data gebruikt om onderdeellengte te registreren en het drop-punt dienovereenkomstig aanpast om soepel logt-instap te waarborgen,” zegt O’Connor.

Andere printvoorbeelden

Tijdens mijn bezoek in 2019 merkte ik een aantal andere nuttige apparaten die Superior Metal Products heeft ontworpen en geprint om zijn diverse werkvloerbehoeften te ondersteunen. Hier zijn voorbeelden van één die ik zag alsook anderen die recent toegevoegd zijn.

3D-geprinte bakken zoals deze die ik fotografeerde houden quick-change-gereedschappen die op een tweeturret-draaibank in een andere geautomatiseerde machining-cel in de zaak gebruikt worden. Bakken rusten op de rand van de machine-behuizing voor gemakkelijke operator-toegang. O’Connor zegt ze bieden ook het cel-tending-team een visuele indicator als to which van de gereedschappen inserts geïndexeerd of vervangen moeten worden terwijl de cel draait. Wanneer de bakken op de cel’s werktafel zijn (buiten de veiligheidsafscheiding), zijn gereedschappen met snijden wijzend naar de machine klaar om geïnstalleerd te worden terwijl die met snijden wijzend van de machine af inserts ververst moeten hebben voor de volgende changeout-cyclus.

Spanklem-kaken zoals deze kunnen 3D-geprint worden om semi-complexe vormen te accommoderen. Deze werden geprint van polyethyleentereftalaat-glycol (PETG)-materiaal met een solide infill. Ze kunnen 50 ft.lbs. spanklem-aantrekkingsmoment weerstaan en werden gebruikt voor de frees-, boor-, boor- en broach-operaties voor dit specifieke onderdeel. O’Connor merkt op dat er geen tekens van degradatie waren aan het einde van de 25-stukken run.

Deze modulare opslagsysteem met bakken en een gemeenschappelijke werkstation-rekk concept wordt gebruikt om diverse inspectie-gages te houden. Gage-pinnen, draad-gages, onderdeel-specifieke inspectie-apparaten enz. worden gekit door kwaliteitscontrole-personeel en naar de werkvloer gestuurd als onderdeel van taak-opstelling/vrijgave voor productie.