Jigs en armaturen:6 manieren om de productie-efficiëntie te verbeteren met 3D-printen

Of het nu gaat om mallen, armaturen of grepen, gereedschap blijft een essentieel, zij het schijnbaar alledaags onderdeel van het productieproces. Ongeacht de complexiteit van uw producten, hangt de productiviteit en efficiëntie van uw productie af van de beschikbaarheid van hoogwaardige gereedschapshulpmiddelen.

De afgelopen jaren heeft er een radicale verschuiving plaatsgevonden in de manier waarop deze gereedschapshulpmiddelen worden geproduceerd:van Volkswagen tot Boeing, Jabil en meer hebben toonaangevende fabrikanten de voordelen van 3D-printen gezien als een middel voor het vervaardigen van gereedschappen.

Dus hoe kan het 3D-printen van deze productiehulpmiddelen fabrikanten helpen om een ​​slank productieproces te realiseren?

Het belang van mallen en armaturen

Het maximaliseren van de productie-efficiëntie en productiviteit is een belangrijke zorg voor fabrikanten. Jigs en klemmen zijn fabricagehulpmiddelen die worden gebruikt om de betrouwbaarheid, nauwkeurigheid en kwaliteit van het fabricageproces te verhogen, terwijl de productiecyclustijden worden geminimaliseerd en de veiligheid van de werknemers wordt verbeterd.

In wezen is het doel van mallen, opspanningen en fabricagehulpmiddelen om een ​​nauwkeurig, herhaalbaar en uitwisselbaar productieproces te bieden en tegelijkertijd de productietijd en menselijke fouten te verminderen.

Jigs

Een mal is een gereedschap dat het werkstuk vasthoudt en ondersteunt terwijl het het snij- of bewerkingsgereedschap voor een specifieke bewerking geleidt. Het meest voorkomende type mal zijn boormallen, die de boor naar de gewenste locatie leiden.

Keuken

Armaturen houden, ondersteunen en lokaliseren het werkstuk (maar geleiden het snijgereedschap niet) tijdens het bewerkings- of montageproces. Armaturen worden meestal aan de machine bevestigd en elke armatuur moet worden gebouwd om in een bepaald onderdeel of een bepaalde vorm te passen.

Jigs en armaturen zijn van vitaal belang voor het optimaliseren van productieprocessen, en de voordelen zijn onder meer:

• Het verminderen van afvalmateriaal
• Nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van processen verbeteren
• Het vereiste vaardigheidsniveau verlagen (om mallen en armaturen te bedienen)
• Productiviteit verhogen

3D-geprinte tools:breken met traditie

In 2021 meldt meer dan de helft (57%) van de door Jabil ondervraagde bedrijven dat ze 3D-printen gebruiken voor tooling, mallen en armaturen, een stijging van 30% in 2017 en 37% in 2019.

Traditionele productiemethoden vereisen dat mallen en armaturen CNC-gefreesd of handmatig gelast en geassembleerd worden. Dit proces kan dagen duren (of weken als het wordt uitbesteed), niet in de laatste plaats omdat het bewerken van onderdelen een intensieve planning en bekwame machinebedieners vereist.

Het is niet verwonderlijk dat het gebruik van traditionele productiemethoden resulteert in lange doorlooptijden en hoge productiekosten en weinig flexibiliteit biedt bij nieuwe ontwerpwijzigingen.

3D-printen is echter een ideaal alternatief. Met een 3D-printer kunt u mallen en armaturen op aanvraag vervaardigen, voor een fractie van de materiaalkosten, en kunt u itereren als dat nodig is.

Waarom 3D-printen?

1. Snellere doorlooptijden

Een belangrijk voordeel van 3D-printen is de snelheid waarmee onderdelen kunnen worden geproduceerd. Aangezien 3D-printen een digitaal fabricageproces is dat gebruikmaakt van 3D CAD-modellen, hoeft u alleen het CAD-model te uploaden en kan uw onderdeel mogelijk binnen enkele uren worden geprint.

Dit biedt aanzienlijke voordelen voor het produceren van mallen en armaturen. Bij traditionele productie kan de productie van gereedschap dagen of zelfs weken duren en omvat het verschillende verwerkingsstappen. Met 3D-printen is echter een groot deel van het productieproces geautomatiseerd, waardoor minder menselijke tussenkomst nodig is en het productieproces wordt versneld.

Praktijkvoorbeelden zijn er genoeg:Volkswagen Autoeuropa, de grootste autofabriek van Portugal, heeft een tijdsbesparing van 89% gerapporteerd door mallen en armaturen voor 3D-printen. Onderzoek uitgevoerd door Stratasys vertelt een soortgelijk verhaal:volgens de fabrikant kunnen 3D-printmallen en -armaturen leiden tot doorlooptijdreducties tot 90%.

De snelheid waarmee mallen en armaturen kunnen worden geproduceerd met 3D-printen, betekent dat het ook ideaal is voor het maken van meerdere iteraties van een apparaat, waardoor innovatieve, nieuwe ontwerpwijzigingen mogelijk worden.

Vaak kunnen meerdere iteraties op dezelfde dag worden ontworpen en afgedrukt. Vergelijk dat eens met de hoge kosten en lange tijdlijnen van het gebruik van een externe leverancier, en de voordelen van additive manufacturing zijn duidelijk.

Deze voordelen betekenen dat ingenieurs niet hoeven te lijden onder lange ontwikkelingscycli en lange doorlooptijden tussen het ontvangen van iteraties van de machinewerkplaats. Ze hebben de vrijheid en flexibiliteit om ontwerpwijzigingen door te voeren tot aan de productie.

2. Lagere kosten

Naast tijdsbesparing biedt 3D-printen een aanzienlijke verlaging van de productiekosten. Vaak wordt de productie van mallen, armaturen en ander gereedschap uitbesteed aan externe leveranciers.

3D-printen daarentegen daagt deze aanpak frontaal uit door fabrikanten in staat te stellen de technologie in huis te halen. Deze nieuwe strategie - van kleine, interne fabricage van gereedschappen - betekent dat fabrikanten kunnen besparen op uitgaven voor outsourcing.

Liberty Electronics, een contractproductiebedrijf dat hoogwaardige assemblages produceert voor de militaire en ruimtevaartindustrie in Pennsylvania, heeft bijvoorbeeld 85% bespaard op de kosten van een aangepast hulpmiddel door het in-house te 3D-printen in plaats van uit te besteden.

Voorraad is een ander gebied waarop fabrikanten de uitgaven met 3D-printen drastisch kunnen verminderen. In plaats van gereedschapsapparatuur op te slaan, maakt additive manufacturing on-demand fabricage mogelijk, zodat gereedschappen kunnen worden geproduceerd wanneer dat nodig is.

Ten slotte, aangezien 3D-printen een additief proces is en niet subtractief, kunnen fabrikanten materiaalverspilling gemakkelijk minimaliseren, waardoor de materiaalkosten worden verlaagd.

3. Verbeterde ergonomie

Aangezien mallen en armaturen fysiek moeten worden gehanteerd door werknemers op de productievloer, moet het creëren van lichtgewicht onderdelen die gemakkelijk te hanteren zijn een prioriteit voor fabrikanten zijn.

Hier kan 3D-printen enorm helpen door gewichtsvermindering. Hoogwaardige materialen zijn bijvoorbeeld een geweldig alternatief voor metaalbewerkingsprocessen en bieden een lichtere optie. Lichtere gereedschappen betekenen ook meer gebruiksgemak voor werknemers op de productievloer.

Additive manufacturing stelt ingenieurs in staat om verbeterde tools te creëren die exact voldoen aan de eisen van de werknemers.

De assemblageomgeving is hard en repetitieve taken kunnen een enorme belasting zijn voor werknemers, zegt Bob Heath, AM-toepassingsingenieur bij Eckhart, een van de leiders in geavanceerde industriële oplossingen. Het ontwerpen van op maat gemaakte, ergonomische gereedschappen die ook veel lichter zijn dan traditioneel ontworpen gereedschappen is een voordeel van het additieve proces bij Eckhart.

Het bedrijf verbetert voortdurend de ergonomie van gereedschappen met 3D-printen door feedback van eindgebruikers op te nemen, terwijl het de taken lichter, veiliger, herhaalbaarder en nauwkeuriger maakt voor werknemers aan de lopende band.

Het is bijvoorbeeld een ergonomische nachtmerrie voor een monteur die elke 45 seconden een wisserblad moet installeren op een nieuw voertuig dat het station binnenkomt.

Dus werkte Eckhart samen met Stratasys om een ​​3D-geprinte mal te ontwikkelen die zich buiten de motorbehuizing van de ruitenwisser bevindt en de operator helpt door het gereedschap op de voorruit van het voertuig te zuigen.

De stevige vaste locatie die het resultaat is van de nieuwe mal zorgt voor een consistente installatie van het wisserblad door de monteur en elimineert eventuele nabewerkingen of kwaliteitsproblemen stroomafwaarts.

Lees ook:Interview met Eckhart's Additive Manufacturing Application Engineer over 3D-printen, automatisering en Industrie 4.0

4. Grotere materiaalvariatie

In 3D-printen is een breed scala aan materialen beschikbaar, van kunststoffen en metalen tot rubbers en was. 3D-printen met meerdere materialen is een snel groeiend interessegebied, waarbij materialen worden gecombineerd om nieuwe materialen te creëren met verbeterde mechanische eigenschappen. Zo kunnen 3D-geprinte onderdelen chemisch en hittebestendig zijn of UV-stabiliteit bezitten.

Een van de belangrijkste implicaties voor mallen en armaturen is de ontwikkeling van hoogwaardige materialen, zoals PEKK of ULTEM en composieten, die sterke, lichtgewicht gereedschapsonderdelen met verbeterde mechanische eigenschappen kunnen creëren.

5. Verbeterde prestaties

3D-printen kan helpen om de prestaties van mallen en armaturen te verbeteren door een eenvoudigere manier te bieden om nieuwe en verbeterde ontwerpen te maken. Voorheen zou het een gigantische taak zijn om dit te bereiken vanwege het niveau van inspanning en kosten dat nodig is om nieuwe productie-armaturen met traditionele methoden te produceren

AM maakt het mogelijk om functies toe te voegen, zoals serienummers, fabricagedatums en andere belangrijke gegevens, wat een verbeterd voorraadbeheer en tracking mogelijk maakt.

Componenten die tijdens het bewerkingsproces zouden worden gescheiden, kunnen worden gecombineerd bij 3D-printen. Dit minimaliseert de spleetruimte en ongewenste ophoping van stof en spanen (bijvoorbeeld voor een bewerkingsgereedschap).

6. Maatwerk

Ten slotte maakt 3D-printen het mogelijk om op maat gemaakte producten te maken. In combinatie met de mogelijkheid om complexe geometrieën te creëren, kan de technologie gemakkelijk worden gebruikt om complexe, op maat gemaakte gereedschappen te produceren die anders niet haalbaar zouden zijn met traditionele productiemethoden.

En maatwerkmogelijkheden hebben voordelen in een groot aantal sectoren, bijvoorbeeld op het gebied van medische hulpmiddelen. Hier wordt 3D-printen al gebruikt om chirurgische handleidingen te maken, de operatietijd te verkorten en een betere patiëntervaring te bieden.

3D-geprinte mallen en armaturen in actie

Veel fabrikanten gebruiken de economische en productiviteitsvoordelen van 3D-printen al in hun voordeel.

Productie

Jabil

Jabil is een wereldwijd productieservicebedrijf met 100 vestigingen verspreid over twintig landen over de hele wereld. Met zijn arsenaal aan Ultimaker AM-systemen onderzoekt het bedrijf al 3D-printen voor het produceren van mallen en armaturen. De vestiging in Auburn Hills in Michigan is een pionier in de productie van gereedschappen met behulp van additive manufacturing.

"Het lijkt mij dat op de lange termijn alle armaturen en mallen 3D-geprint zullen worden, sommige in plastic, andere in metaal, maar uiteindelijk is het gewoon volkomen logisch." – John Dulchinos, Jabil.

Met de technologie kan het bedrijf eenmalige batches mallen en armaturen produceren met meerdere ontwerpiteraties zonder enige kostenbeperking. De faciliteit kan nu de gereedschapskosten tot 30% verlagen en de benodigde tijd met 80% verminderen, terwijl de klanttevredenheid wordt verhoogd.

"3D-geprinte gereedschappen en armaturen zijn een gebied waar de meeste fabrikanten van kunnen profiteren bij het toepassen van 3D-printen in hun bestaande processen", aldus Tim DeRosett, directeur van Additive Manufacturing van Jabil.

Lucht- en ruimtevaart

Moog Aircraft Group

Lucht- en ruimtevaart- en defensiefabrikant Moog Aircraft Group gebruikt Fused Deposition Modeling (FDM) -technologie om 3D-afdrukken van Coördinaten metende Machine (CMM) armaturen. Volgens het bedrijf resulteerde het uitbesteden van de productie van CMM-armaturen in een doorlooptijd van vier tot zes weken, van ontwerp tot het uiteindelijke onderdeel. Met 3D-printen kan het bedrijf echter in ongeveer 20 uur dezelfde armaturen in eigen huis produceren. De prijs voor de 3D-geprinte CMM-armaturen is ook gedaald van £ 2.000 naar een paar honderd pond.

Boeing

3D-printen is echter niet alleen gunstig voor kleine productiehulpmiddelen. In 2016 produceerde een samenwerkingsproject tussen Boeing en het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy in Tennessee een indrukwekkend grote 3D-geprinte trim-and-drill-tool voor het 777X-vliegtuig van Boeing, waarmee destijds een wereldrecord werd gevestigd voor de grootste 3D-geprint object.

Het trim-and-drill-gereedschap, dat voorheen werd vervaardigd met traditionele productiemethoden met metaal, werd in slechts 30 uur 3D-geprint met koolstofvezelversterkt ABS. De snelle productie werd bereikt dankzij de gepatenteerde Big Area Additive Manufacturing (BAAM)-machine, voornamelijk ontwikkeld voor grootschalige AM-toepassingen.

Lees ook:4 indrukwekkende toepassingen van grootschalig 3D-printen

Automobiel

BMW

3D-geprinte tooling wordt ook veel gebruikt in de automobielsector. BMW is een opmerkelijk voorbeeld:de Duitse autofabrikant gebruikte Fused Deposition Modeling om handgereedschap te produceren voor assemblage en testen als alternatief voor traditionele productiemethoden voor het snijden van metaal, zoals frezen of draaien. Dankzij 3D-printen is het gewicht van de ergonomisch ontworpen gereedschappen met 72% verminderd, waardoor het gebruiksvriendelijker is voor werknemers en de functionaliteit van het apparaat is verbeterd.

Renault Sport F1

3D-printen is ook een waardevolle oplossing geweest voor de fabricage van gereedschappen bij Renault Sport Formula 1. Onder de vele toepassingen van 3D-printen heeft het bedrijf stereolithografie (SLA) gebruikt om mallen te maken voor het uitlaatsysteem van zijn raceauto.

Alvorens additieve fabricage in te voeren, gebruikte Renault CNC-bewerkingen om zijn mallen te vervaardigen, wat dagen kon duren - en het monteren van voorbewerkte onderdelen kon een week duren. Daarentegen kunnen bij additive manufacturing 15 mallen 's nachts worden geproduceerd - een aanzienlijke tijdbesparing.

Verder lezen:3D-printen en Formule 1:5 trends in motorsport

Hoe haal je het meeste uit mallen en armaturen 3D-printen 

Gereedschapsontwerp optimaliseren 

Succesvol 3D-printen van fabricagehulpmiddelen begint bij het ontwerp. Neem de tijd om te overwegen welke extra functionaliteit in de mal of het armatuur in de ontwerpfase kan worden ingebouwd om te profiteren van de ontwerpflexibiliteit van AM. Kleine kenmerken die moeilijk te bewerken zijn en geometrieën die als onmogelijk worden beschouwd vanwege gereedschapsspeling bij frezen of draaien, vallen allemaal binnen het bereik van AM-processen.

Wat opwindend is, is dat de AM-bedrijven nu actief geautomatiseerde oplossingen ontwikkelen om het ontwerpproces te versnellen en ingenieurs in staat te stellen snel ontwerpopties te beoordelen voordat ze iets op de machine printen. Zo'n tool kan nuttig zijn bij het ontwerpen van tools.

Ford heeft bijvoorbeeld laten zien hoe automatisering de tijd voor het ontwerpen van tools kan verkorten van uren naar minuten.

Door samen te werken met een Duits softwarebedrijf, Trinckle, kreeg de autofabrikant toegang tot software die automatisch de geometrie van het gereedschap kon genereren om in de contouren van de auto te passen en de basis van de nieuwe mal te vormen. Met een simpele klik konden ingenieurs ook elementen toevoegen zoals handgrepen, magneetbevestigingen voor bevestiging en randgeleiders.

Het automatiseren van het ontwerpproces voor dit onderdeel heeft een aantal uren werk bespaard, waardoor het ontwerpproces tot slechts 10 minuten is teruggebracht. Ford gelooft dat deze aanpak het potentieel heeft om duizenden euro's per stuk gereedschap te besparen.

Hardwarefabrikant Stratasys ontwikkelt ook automatiseringsoplossingen voor 3D-toolontwerp in samenwerking met het softwarebedrijf nTopology.

Deze nieuwe oplossing, de Fixture Generator genaamd, stelt ingenieurs in staat om gereedschapsonderdelen op een eenvoudige manier met slepen en neerzetten voor te bereiden. Het doet dit door het gebruik van de software-engine voor topologie-optimalisatie van nTopology, die onderdeelontwerpen optimaliseert met de toepassing voor eindgebruik in gedachten. U kunt hier toegang tot de Armatuurgenerator aanvragen.

Inventaris digitaliseren voor eenvoudig nabestellen van 3D-geprinte tools

Als u regelmatig veel tools afdrukt, kunt u overwegen de workflow voor het bestellen ervan te stroomlijnen.

Veel bedrijven die 3D-geprinte mallen en armaturen implementeren, slaan ontwerpbestanden vaak op in gedeelde mappen, terwijl technici e-mailverzoeken moeten verzenden om hun gereedschappen te bestellen. Tegelijkertijd moeten 3D-afdelingsmanagers de e-mails doorzoeken en de mappen en spreadsheets doorzoeken om de gevraagde bestanden en hun productievereisten te vinden om ze voor productie te verzenden.

Het is duidelijk waarom deze workflow niet erg efficiënt is:het is niet gebruiksvriendelijk voor technici die onderdelen bestellen, en het is tijdrovend en foutgevoelig voor 3D-printtechnici.

Een alternatieve, efficiëntere oplossing zou zijn om een ​​digitale catalogus te maken, compleet met 3D-ontwerpbestanden EN productievereisten. Door het beschikbaar te stellen aan ingenieurs, kunnen bedrijven de bestel- en productieplanning vereenvoudigen als de catalogus ook is geïntegreerd met een additief MES-systeem.

Lees ook:4 manieren waarop digitale inventaris uw AM-activiteiten kan ondersteunen

De toekomst van gereedschap is 3D-printen

Hoewel mallen en armaturen misschien niet het meest glamoureuze aspect van additive manufacturing zijn, blijven ze cruciaal voor het fabricageproces. AM is een ideaal alternatief voor het verzekeren van een efficiënt productieproces en helpt bij het produceren van mallen, armaturen en andere hulpmiddelen in een fractie van de tijd en kosten.

Vooruitkijkend, aangezien het maken van gereedschap steeds meer een op maat gemaakte onderneming wordt, zullen fabrikanten die 3D-printen al hebben toegepast, de vruchten plukken van een meer gestroomlijnd productieproces en enorme verbeteringen ervaren in efficiëntie en kwaliteit binnen productie- en assemblagelijnen.