3D-printen van aangepaste brandstofinjectorgrijpers voor een pick-and-place-robot

STS Technical Group, met hoofdkantoor in Wisconsin, werkt al bijna 40 jaar samen met klanten op het gebied van personeel en technisch ontwerp. en technische uitdagingen. Met meer dan 250 medewerkers in rekruteringscentra in de VS, is het bedrijf gegroeid en aangepast aan het steeds veranderende landschap van productietechnologieën en biedt het nieuwe en innovatieve diensten aan zodra deze zich voordoen.

STS maakt gebruik van Formlabs 3D-printtechnologie vanwege de verscheidenheid aan materialen die geschikt zijn voor uitgebreid gebruik in de productieomgeving, de mogelijkheid om 3D-geprinte componenten van medische kwaliteit te produceren en de hoge kwaliteit van de geprinte componenten.

In deze casestudy begeleidt Benjamin Heard, directeur Engineering Services van STS Technical Group, u bij de ontwikkeling van aangepaste grijpers voor het verplaatsen en positioneren van brandstofinjectoren in een productieomgeving, waarbij hij de voordelen benadrukt van het 3D-printen van een component versus het produceren ervan met traditionele productiemethoden zoals gieten en machinale bewerking. Heard zal ook uitleggen waarom de mogelijkheden van de op maat gemaakte 3D-geprinte grijpers veel beter zijn dan die van de vorige, traditioneel vervaardigde grijpers.

Een productieproces kiezen voor specifieke componenten

Voor het vervaardigen van een specifiek onderdeel moeten tijdens de ontwikkeling veel productieprocessen worden overwogen, zoals gieten, fabriceren, machinaal bewerken en 3D-printprocessen zoals fused deposition modeling (FDM) of stereolithografie (SLA) printen.

Enkele voordelen van 3D-printen voor het vervaardigen van componenten:

• Meer detail dan gieten en/of verspanen. De dikte van de printlaag kan zo klein zijn als 25 micron.

• Kosteneffectiever dan gieten, fabriceren of machinaal bewerken als het gaat om zeer gedetailleerde ontwerpen.

• Aanzienlijk kortere doorloop- en productietijden dan gieten, fabriceren of machinaal bewerken.

• Na het printen is geen machinale bewerking vereist, daarom is het niet nodig om dure machinale apparatuur te hebben die geschoolde arbeid en vervelende instellingen vereist.

• Brede selectie van duurzame, lichtgewicht materialen.

• Ontwerpen die met CAD-software zijn gemaakt, kunnen worden opgeslagen en indien nodig opnieuw worden gebruikt voor vervanging, zonder dat er inventaris nodig is.

• 3D-geprinte items kunnen worden ontworpen om meer compatibel te zijn voor installatie door strategisch extra materiaal op te nemen om de steunen te versterken en door functies voor installatie op te nemen, zoals schroef-/boutgaten en zeskantige holtes.

• Als een SLA 3D-geprint polymeeronderdeel tijdens het gebruik zware schokken oploopt, zal het waarschijnlijk breken, terwijl metalen onderdelen de neiging hebben om buiten de toleranties te buigen en onderdelen die buiten de specificaties vallen, blijven produceren.

• Lagere vervangingskosten en snellere doorlooptijd voor kapotte componenten en vervangende onderdelen.

• Geprinte onderdelen hebben een esthetische uitstraling die kan worden geverfd of bedekt met een gewenste coating.

• Biedt een alternatief voor materialen die niet geschikt zijn om te verspanen omdat ze tijdens het proces smelten, afbrokkelen of barsten.

• Lagere verzendkosten door lager gewicht en minder verpakkingsmateriaal.

Bij het kiezen tussen gieten, fabriceren, machinaal bewerken of 3D-printen van componenten, moet u eerst rekening houden met de duurzaamheid die het onderdeel moet hebben. Hoewel metalen onderdelen die met traditionele processen zijn geproduceerd, een hogere sterkte, duurzaamheid en slijtvastheid bieden, hebben veel componenten vereisten waaraan gemakkelijk kan worden voldaan door 3D-printen met specifieke technische materialen.

Bij de selectie moet ook rekening worden gehouden met de werkomgeving om ervoor te zorgen dat het materiaal bestand is tegen de temperatuur, het vochtgehalte of de aanwezigheid van bijtende stoffen. Het 3D printen van grote componenten kan een uitdaging vormen, maar grootformaat 3D-printers, zoals de Form 3L, kunnen grotere printverzoeken verwerken.

Wit papier

Inleiding tot 3D printen met desktop stereolithografie (SLA)

Op zoek naar een 3D-printer om uw 3D-modellen in hoge resolutie te realiseren? Download onze whitepaper om te ontdekken hoe SLA-printen werkt en waarom dit het populairste 3D-printproces is voor het maken van modellen met ongelooflijke details.

Download de whitepaper

Ontwerpen en 3D-printen van aangepaste brandstofinjectorgrijpers

Bij het ontwerpen van grijpers voor pick-and-place-bewerkingen wordt met veel factoren rekening gehouden. De materialen die worden gebruikt in het gekozen onderdeel en de grijper, grijpkracht, geometrie van het gekozen onderdeel, radiale kaken versus lineaire klauwbeweging, omringende spelingen en de vereiste toleranties voor de oppak- en plaatslocatie.

Het materiaal van de grijpervinger wordt meestal geselecteerd om aanzienlijk sterker en harder te zijn dan het geplukte deel om ervoor te zorgen dat de armen niet slijten na duizenden of zelfs miljoenen cycli. Een typisch grijpermateriaal is gehard staal, dat kan leiden tot beschadiging op zachter geplukte onderdeeloppervlakken. Wanneer de afwerking delicaat is, worden coatings of schoenen aan de grijpers toegevoegd. Bovendien, wanneer onderdelen op hun plaats worden bewogen om extra machinewerk aan het item uit te voeren, kan een slecht gripcontact leiden tot verkeerde plaatsing van het onderdeel en het ontstaan ​​van machinale defecten.

De generieke grijpers die oorspronkelijk op de pneumatische cilinder waren geïnstalleerd.

Over het algemeen worden de grijperbekken in een 'V'-vorm gesneden voor gepickte items die cilindrisch zijn of niet-platte randen hebben. Deze vorm biedt betrouwbaar contact met het gepickte onderdeel op twee locaties per zijde in een zacht raakcontact. Wat nog belangrijker is, het is een eenvoudig en kosteneffectief ontwerp dat kan worden geschaald naar een willekeurig aantal processen.

De nadelen van dit ontwerp zijn onder meer krachtconcentraties die belastend zijn voor zowel de grijper als het item, wat resulteert in geïsoleerde slijtage van de grijper. Bovendien kunnen 'V'-grijpers een item alleen abstract positioneren, waardoor er behoefte is aan een secundair positioneringsmechanisme voor aanvullende productieprocessen.

Door te kiezen voor 3D-printen om de grijpers te produceren, worden de ontwerpmogelijkheden aanzienlijk vergroot en kunnen vormsluitende grepen worden geproduceerd die de kracht over een groter contactoppervlak verdelen.

In ons voorbeeld hebben we een Creaform laser 3D-scanner en VX Elements-modelleringssoftware gebruikt om een ​​virtuele 3D-scan van de brandstofinjector te maken om te helpen bij het ontwerp van de grijpers. De scan resulteerde in een afbeelding met ingewikkelde details, in plaats van moeizaam elke opening, cilinder en opening op de brandstofinjector te moeten meten. De gescande afbeelding kan vervolgens worden geïmporteerd in 3D CAD-software om een ​​uiterst gedetailleerd ontwerp te genereren met behulp van een malfunctie in de software.

De brandstofinjector (boven) is in 3D gescand om een ​​model (onder) te maken dat kan worden gebruikt om de aangepaste grijpers te maken.

Ons nieuwe gedetailleerde radiale grijperontwerp wordt gemonteerd op de roterende armen die zijn bevestigd aan de zuiger van een pneumatische cilinder.

De nieuwe grijper werd geprototypeerd en vervaardigd op een Formlabs Form 3 SLA 3D-printer. Formlabs biedt meerdere materialen voor rapid prototyping, zoals Draft Resin voor snelle prototypes. In ons geval werd Standard Black Resin gebruikt om het eerste prototype van het ontwerp te ontwikkelen. Beide grijperhelften kunnen in één enkele build op de Form 3 worden afgedrukt. Materialen kunnen gemakkelijk worden gewijzigd, wat het verkrijgen van een eindproduct van het oorspronkelijke idee versnelt.

De fabricage van het eindgebruiksonderdeel vereiste een duurzamer materiaal om de productieomgeving te ondersteunen. Als resultaat werd Rigid 4000 Resin gebruikt om de uiteindelijke grijpers te maken. Dit extreem stijve, met glas gevulde polymeermateriaal biedt een hoge duurzaamheid, stijfheid en een aantrekkelijke afwerking voor de geprinte onderdelen.

Wit papier

3D-scannen voor reverse engineering, restauratie en metrologie

3D-scan- en printworkflows kunnen worden toegepast op replicatie en restauratie, reverse engineering, metrologie en meer. Download onze whitepaper of bekijk onze webinar om te leren hoe u deze technologieën kunt gaan gebruiken om uw eigen ontwerpworkflows te verfijnen.

Download de whitepaper

Resultaten

Het proces van het ontwerpen en 3D-printen van de onregelmatige grijpers was een groot succes en ze werken zoals verwacht. De mogelijkheden van de 3D-geprinte grijpers zijn veel beter dan die van de vorige grijpers.

Het pneumatische cilindersamenstel; compleet met 3D-geprinte grijpers die de brandstofinjector vasthouden.

De voordelen van de 3D-geprinte grijpers zijn de volgende:

• Groter oppervlak om de brandstofinjector vast te pakken, wat leidt tot minder krachtgeconcentreerde gebieden die de brandstofinjector kunnen beschadigen of krassen en de grijper kunnen slijten. Zelfs als de grijper zou slijten, zal het unieke, volledig omsluitende grijperontwerp de grijper nog steeds op het gewenste niveau laten werken.

• Doordat de grijpers in een radiale grijpbeweging werken, kan speling aan de binnenranden van de grijpers in het ontwerp worden opgenomen in plaats van machinaal. Dit elimineert vierkante randen in de grijpholte en zorgt voor een uniforme grip en volledige vrijgave van de brandstofinjector.

• De gedetailleerde grijperbekken richten de brandstofinjector op de gewenste positie en richten deze in de gewenste positie, waardoor er minder extra apparatuur en productiestations nodig zijn om de gepickte onderdelen te oriënteren.

• Met het volledig omsluitende grijperontwerp is er minder grijperdruk nodig om de brandstofinjector vast te pakken, wat leidde tot lagere pneumatische of hydraulische drukvereisten voor de materiaalbehandelingsapparatuur.

• De grijpers zijn ontworpen om dunne componentstructuren te elimineren en bieden een uniek ontwerp om de materiaalsterkte van hars te maximaliseren, terwijl ze een zeskantholte bevatten die een zeskantmoer in de assemblage omvat om de installatie te vereenvoudigen.

• Serialisatie of etikettering van de SLA-geprinte component wordt bereikt tijdens het afdrukproces, waardoor stempel- of etsprocessen worden geëlimineerd.

Conclusie

De Formlabs Form 3, uitgerust met een breed scala aan afdrukmaterialen, biedt een uitzonderlijk alternatief voor traditionele productieprocessen voor het vervaardigen van op maat gemaakte componenten, zoals productiehulpmiddelen.

Geprinte componenten bieden voldoende duurzaamheid, kosten veel minder voor gedetailleerdere ontwerpen en kunnen in een fractie van de tijd worden geproduceerd en geïmplementeerd. De toekomst van geautomatiseerde productie zal bestaan ​​uit zeer gedetailleerde producten die zijn ontworpen met CAD-software en 3D-geprint met een verscheidenheid aan materialen.

Met behulp van Formlabs 3D-printers en CAD-software kan STS Technical Group zeer gedetailleerde onregelmatige componenten voor haar klanten ontwerpen en engineeren.