Нужна нестандартная листогибочная оснастка? Напечатайте её на 3D-принтере! [Часть 1]

У Дэвида Олсона директора по инженерным и технологическим вопросам компании Jones Metal Inc. возникла задача, которая требовала решения. Он внимательно изучил чертежи поступившего заказа, один чертеж требовал радиуса 8 дюймов в углеродистой стали, малотоннажного применения. Тем не менее, требования к геометрии детали исключали возможность изгиба рельефа в качестве опции. В обычных обстоятельствах Олсон заказал бы специальный пуансон и набор штампов. Это не было бы проблемой для крупного заказа, но для этого требовалось всего несколько сотен деталей. Он действительно не мог оправдать заказной инструмент. Или мог? Очевидно, что инструмент не может быть изготовлен из инструментальной стали. Но обязательно ли он должен быть из металла? Может ли это быть смола или термопластик? В конце концов, уретановые листогибочные инструменты уже много лет используются для определенных задач, связанных с обработкой поверхностей. Почему бы не сделать пуансон на заказ с помощью 3D-принтера?

Работая с местным поставщиком Stratasys и сервисным бюро, компания Jones Metal предоставила чертежи. Инструмент имел очень малую форму, что позволило использовать его в малотоннажном производстве.

"Мы знали, что формовочный тоннаж не будет чрезмерным", - сказал Олсон, добавив, что материал, который использовал Jones Metal, прочный термопласт под названием Ultem, имел предел прочности на растяжение, намного превышающий то, что требовалось для применения.

Инструмент был напечатан на принтере Stratasys FDM - за небольшую часть стоимости обычного набора инструментов для листогибочного пресса - затем протестирован для использования. В итоге инструмент прошел тестирование и сделал свое дело. Еще один плюс: печатный пластик дает заготовку без царапин. Сегодня печатный инструмент находится на складе, готовый к использованию в случае необходимости.

Примечание: данная статья является переводом.

Возможности пластика

Когда менеджер производственного цеха видит, как 3D-принтер печатает пластиковую деталь слой за слоем, на ум приходит бесчисленное множество применений. Как насчет специального заднего упора на листогибочном прессе для измерения сложной геометрии или приспособления для удержания лишнего предмета для проверки?

Все эти примеры требуют предусмотрительности, но задействованные печатные компоненты не подвергаются огромной нагрузке. Конечно, с листогибочным прессом дело обстоит иначе. Следует учесть, что разработка инструмента с использованием аддитивной технологии требует большего, чем просто выбор материала и печать.

Одним из важных моментов является выбор метода печати. Один из распространенных методов включает изготовление из плавленой нити (FFF), аддитивный процесс экструзии материала, также известный под фирменными названиями Fused Deposition Modeling (FDM от Stratasys) и другими. В этом процессе печатающая головка слой за слоем наносит нагретый материал, например термопластик.

Другие методы относятся к категории, называемой фотополимеризацией в ванне. В этих процессах свет взаимодействует с бассейном с жидкой смолой, и открытые участки смолы превращаются в твердую деталь. Такие процессы, как стереолитография (SLA), цифровая обработка света (DLP) и цифровой синтез света (DLS), подходят к процессу по-разному, но все они попадают в эту категорию.

В Wilson Tool International в Уайт-Беар-Лейк, штат Миннесота, аддитивное производство - это семейное дело. Зять основателя компании Кена Уилсона основал компанию еще в 1990-х годах.

"Мы долгое время работали с этой компанией по аддитивным технологиям", - сказал Брайан Роджерс, инженер-механик по исследованиям и разработкам и специалист по аддитивным технологиям в Wilson Tool. "Они были нашим источником 3D-печати для наших прототипов. Фактически, на протяжении большей части моей карьеры здесь, в отделе исследований и разработок, мы довольно долгое время работали с аддитивными технологиями и постепенно перенесли некоторые из этих процессов печати в свои собственные".

В течение многих лет компания использовала технологию 3D-печати в собственной продукции. Если вы видите пластиковый компонент на недавно приобретенной зажимной системе Wilson, есть большая вероятность, что этот компонент был изготовлен на 3-D принтере на заводе Wilson. "Сейчас у нас есть около 25 деталей, которые проходят через аддитивные процессы, - сказал Роджерс, и еще 80 деталей, которые планируется использовать в аддитивных процессах в ближайшем будущем". Эти детали не производятся в больших объемах, и конструкция некоторых из них может часто меняться. 3D-печать избавляет от затрат на механическую обработку или инструменты для литья пластмасс под давлением. "И если нам нужно изменить конструкцию, нам не нужно беспокоиться об инструментах", - сказал Роджерс. "Все, что требуется, - это ECR [запрос на технические изменения], и мы готовы к работе".

Имея собственные 3D-принтеры, отдел исследований и разработок Wilson уже давно экспериментирует с оснасткой, приспособлениями и заготовками. Многие мероприятия компании по кайдзен заканчивались запросом на какой-нибудь напечатанный светильник "пока-ёке". На протяжении многих лет инженеры проводили эксперименты, печатая различные инструменты, чтобы увидеть, как они выдерживают давление. В течение нескольких лет проводились серьезные исследования и разработки, и все эти испытания привели к запуску аддитивного подразделения в октябре 2018 года.

Подразделение предлагает две услуги: 3D-печать листогибочной оснастки и печатные опорные компоненты. Если, скажем, изготовителю нужна печатная оснастка, прототип, приспособление или пресс-форма для сборки из листового металла, он может воспользоваться услугами трехмерной печати Wilson для удовлетворения обеих потребностей.

Печать листогибочного инструмента может быть гораздо сложнее, чем печать манометра "годен/не годен". "Мы опробовали множество различных аддитивных технологий и материалов, - говорит Роджерс, - чтобы определить, что будет работать лучше всего с точки зрения долговечности, напряжения и качества деталей в различных конфигурациях. И со временем мы сузили круг выбора".

В итоге компания выбрала один процесс на основе смолы, DLS, а также экструзионный процесс, FDM. "У нас есть еще технологии, но это две, которые мы будем использовать для печати инструментов на запуске", - сказала Энн Бопре, менеджер по аддитивным продуктам компании Wilson.

Роджерс добавил, что на заказ будут доступны инструменты для воздушной гибки углеродистой стали 14 калибра и тоньше, с эквивалентными ограничениями по тоннажу для различных типов материалов в зависимости от прочности на разрыв. Инструменты будут способны сгибать отрезки длиной 12 дюймов и меньше.

Металлические и полимерные компоненты также используются вместе. Например, компания напечатала специальные инструментальные секции с замысловатыми углублениями, предназначенными для образования более дюжины крошечных кронштейнов за один ход, и смонтировала эти секции на основаниях из инструментальной стали.

Как описал Роджерс в другом примере: "Если у нас есть, скажем, пуансон, который нам нужно сделать для применения с низкой маркировкой [поверхностно-чувствительного материала], мы можем сделать рабочий конец инструмента из полимерного материала, но корпус пуансона будет стальным".

Центральное место во всем этом занимает тестирование жизненного цикла. Роджерс и его команда проанализировали износ инструмента до 1 000 циклов гибки, тщательно изучив разницу в качестве деталей и характеристиках износа инструмента между первой и последней гибкой.

Как же изнашиваются эти печатные инструменты? Оказывается, они изнашиваются так же, как и обычные инструменты с прецизионной шлифовкой в условиях воздушной гибки. В первую очередь изнашиваются три точки контакта, включая два радиуса плеча штампа и наконечник пуансона. "А при доводке и чеканке износ происходит там, где материал скользит по нему [во время цикла гибки]", - говорит Роджерс.

То, что компания может создать, зависит от тоннажа применения, поскольку это связано с пределом текучести и прочностью на разрыв печатного инструмента. Их определение для конкретного печатного инструмента включает в себя испытания и анализ методом конечных элементов.

Анализ особенно важен при работе с необычными геометриями изгибов - что, конечно, является важной причиной для заказа индивидуальной оснастки для листогиба в первую очередь. Это включает в себя многополосные инструменты и инструменты шляпного профиля, которые выполняют несколько изгибов за один ход. Например, у Уилсона есть печатный инструмент, который делает пять изгибов за один удар.

"Если мы формируем пятистороннюю коробку за один удар, то при использовании FDM-печати прочность инструмента будет слабее в одном направлении", - сказал Роджерс. "Поэтому нам нужно убедиться, что мы используем правильный материал, чтобы компенсировать эти факторы. Или мы можем перейти на процесс печати смолой [DLS], который, как правило, обеспечивает лучшее сцепление между слоями".

Конечно, 3-D напечатанный инструмент подходит не для каждого применения. "Если мы производим инструментальную сталь, мы, очевидно, можем изготовить ее для удовлетворения потребностей широкого круга задач", - сказал Роджерс. "Но когда речь идет о печатном инструменте, мы должны быть немного более избирательны в своих действиях".

Важным преимуществом аддитивного производства является возможность уменьшить количество деталей, входящих в сборку, и то же самое можно сказать о конструкции инструментов. Например, некоторые компоненты из специальной инструментальной стали подпружинены или привинчены к компонентам, которые необходимо собрать перед отправкой инструмента. "Когда мы напечатали эти инструменты, мы смогли удалить эти компоненты", - сказал Роджерс. "Но мы можем распечатать большинство этих элементов в инструменте. Пружина оказалась единственной механической деталью, которую мы не смогли напечатать".

"Речь идет о том, чтобы иметь возможность взять стандартный инструмент и попытаться произвести его другим способом, и не только сократить время выполнения заказа, - сказал Бопре, - но и посмотреть на способы создания версии инструмента следующего поколения."

Роджерс добавил, что печатные инструменты не обязательно предназначены для операций, требующих изготовления деталей с допусками более жесткими, чем +/-0,010 дюйма - например, для применения в атомной промышленности, где свойства материала заготовки и процессы гибки контролируются с точностью до миллиметра. Однако печатные инструменты могут удовлетворить потребности большинства производителей прецизионных деталей, которым требуется гибка в пределах +/-0,015 дюйма.

Роджерс добавил, что большим преимуществом является время выполнения заказа, и здесь 3-D печать может решить проблему, широко распространенную среди изготовителей на заказ. Запрос котировок включает в себя несколько изгибов, для которых требуется специальный инструмент. Мастерская может получить заказ, но инструмент не будет доступен в течение 6-12 недель, в зависимости от поставщика. Поэтому для изготовителя это, скорее всего, ситуация без котировок. В качестве альтернативы, цех может в течение нескольких дней выполнить работу с напечатанным инструментом. Когда и если работа перерастет в нечто большее, цех может заказать обычный индивидуальный инструмент.

Мы уже напечатали инструменты для некоторых производителей, и работы, которые кажутся наиболее целесообразными, предполагают небольшие тиражи, например, 100 или 250 штук, - сказал Роджерс. Печатный инструмент позволяет им начать работу в течение нескольких дней.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Преимущества оснастки напечатанной на 3D-принтере для листогибочных прессов»‎ и «‎Какой инструмент выбрать для листогибочного пресса?»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!