Impression 3D de pinces d'injecteur de carburant personnalisées pour un robot Pick and Place

Basé dans le Wisconsin, STS Technical Group opère depuis près de 40 ans et travaille avec des clients sur la dotation en personnel et la conception technique. et les défis d'ingénierie. Avec plus de 250 employés dans des centres de recrutement à travers les États-Unis, l'entreprise s'est développée et s'est adaptée au paysage en constante évolution des technologies de fabrication, offrant des services nouveaux et innovants au fur et à mesure qu'ils émergent.

STS utilise la technologie d'impression 3D de Formlabs en raison de la variété de matériaux adaptés à une utilisation intensive dans l'environnement de fabrication, de la capacité de produire des composants imprimés en 3D de qualité médicale et de la haute qualité des composants imprimés.

Dans cette étude de cas, Benjamin Heard, directeur des services d'ingénierie de STS Technical Group, vous guide à travers le développement de pinces personnalisées pour déplacer et positionner les injecteurs de carburant dans un environnement de fabrication, en soulignant les avantages de l'impression 3D d'un composant par rapport à sa production avec des méthodes de production traditionnelles comme le moulage. et l'usinage. Heard expliquera également pourquoi les capacités des pinces personnalisées imprimées en 3D sont bien supérieures à celles des pinces précédentes, fabriquées de manière traditionnelle.

Comment choisir un processus de production pour des composants spécifiques

Pour fabriquer un composant spécifique, de nombreux processus de production doivent être pris en compte lors du développement, tels que le moulage, la fabrication, l'usinage et les processus d'impression 3D tels que la modélisation par dépôt de fusion (FDM) ou l'impression par stéréolithographie (SLA).

Quelques avantages de l'impression 3D pour la fabrication de composants :

• Plus de détails que le moulage et/ou l'usinage. L'épaisseur de la couche d'impression peut être aussi petite que 25 microns.

• Plus rentable que le moulage, la fabrication ou l'usinage lorsqu'il s'agit de conceptions très détaillées.

• Délais d'exécution et de production nettement inférieurs à ceux du moulage, de la fabrication ou de l'usinage.

• Aucun usinage n'est requis après l'impression, par conséquent, il n'est pas nécessaire d'avoir un équipement d'usinage coûteux qui nécessite une main-d'œuvre qualifiée et une configuration fastidieuse.

• Large choix de matériaux durables et légers.

• Les conceptions créées avec un logiciel de CAO peuvent être enregistrées et réutilisées au besoin pour le remplacement, pas besoin d'inventaire.

• Les articles imprimés en 3D peuvent être conçus pour être plus compatibles pour l'installation en incorporant stratégiquement des matériaux supplémentaires pour renforcer les supports et en incorporant des fonctionnalités d'installation telles que des trous de vis/boulons et des cavités hexagonales.

• Si une pièce en polymère imprimée en 3D SLA subit un impact important pendant le fonctionnement, elle se brisera probablement, tandis que les pièces métalliques ont tendance à se plier hors tolérance et continuer à produire des pièces hors spécifications.

• Coûts de remplacement réduits et délai de livraison plus rapide pour les composants cassés et les pièces de rechange.

• Les pièces imprimées ont un aspect esthétique qui peut être peint ou recouvert d'un revêtement souhaité.

• Offre une alternative pour les matériaux qui ne conviennent pas à l'usinage car ils fondent, s'écaillent ou se fissurent au cours du processus.

• Coûts d'expédition réduits en raison d'un poids inférieur et d'un matériau d'emballage réduit.

Lorsque vous décidez entre des composants de moulage, de fabrication, d'usinage ou d'impression 3D, pensez d'abord à la durabilité que la pièce doit posséder. Alors que les pièces métalliques produites avec des procédés traditionnels offrent une résistance, une durabilité et une résistance à l'usure supérieures, de nombreux composants ont des exigences qui peuvent facilement être satisfaites par l'impression 3D avec des matériaux d'ingénierie spécifiques.

L'environnement de travail doit également être pris en compte lors de la sélection pour s'assurer que le matériau peut résister à la température, aux niveaux d'humidité ou à la présence de produits corrosifs. L'impression 3D de gros composants peut poser un défi, mais les imprimantes 3D grand format, telles que la Form 3L, peuvent répondre à des demandes d'impression plus importantes.

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Introduction à l'impression 3D avec la stéréolithographie de bureau (SLA)

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Conception et impression 3D de pinces d'injecteur de carburant personnalisées

De nombreux facteurs sont pris en compte lors de la conception des pinces pour les opérations de prélèvement et de placement. Les matériaux utilisés dans le composant choisi et la pince, la force de préhension, la géométrie du composant choisi, les mâchoires radiales par rapport au mouvement linéaire des mâchoires, les jeux environnants et les tolérances d'emplacement de prélèvement et de placement requises.

Le matériau du doigt de préhension est généralement sélectionné pour être nettement plus résistant et plus dur que la partie choisie afin de garantir que les bras ne s'usent pas après des milliers, voire des millions de cycles. Un matériau de préhension typique est l'acier trempé, ce qui peut provoquer des éraflures sur les surfaces des pièces cueillies plus molles. Lorsque la finition est délicate, des enduits ou des patins sont ajoutés aux pinces. De plus, lorsque les pièces sont déplacées en position pour effectuer un travail de machine supplémentaire sur l'article, un mauvais contact de préhension peut entraîner un mauvais placement de la pièce et la création de défauts d'usinage.

Les pinces génériques installées à l'origine sur le vérin pneumatique.

En général, les mâchoires de la pince sont coupées en forme de « V » pour les articles prélevés qui sont cylindriques ou ont des bords non plats. Cette forme offre un contact fiable avec la pièce prélevée à deux emplacements par côté dans un contact tangent doux. Plus important encore, il s'agit d'une conception simple et rentable qui peut être adaptée à n'importe quel nombre de processus.

Les inconvénients de cette conception incluent des concentrations de force qui sont stressantes à la fois pour la pince et l'article, entraînant une usure isolée de la pince. De plus, les pinces en « V » ne peuvent que positionner un élément de manière abstraite, ce qui nécessite un mécanisme de positionnement secondaire pour des processus de fabrication supplémentaires.

En choisissant l'impression 3D pour produire les pinces, les options de conception augmentent considérablement et il est possible de produire des poignées ajustées qui répartissent la force sur une plus grande zone de contact.

Dans notre exemple, nous avons utilisé un scanner laser 3D Creaform et le logiciel de modélisation VX Elements pour obtenir une numérisation 3D virtuelle de l'injecteur de carburant afin d'aider à la conception des pinces. L'analyse a abouti à une image avec des détails complexes, au lieu d'avoir à mesurer fastidieusement chaque espace, cylindre et ouverture sur l'injecteur de carburant. L'image numérisée peut ensuite être importée dans un logiciel de CAO 3D pour générer une conception extrêmement détaillée à l'aide d'une fonction de moule dans le logiciel.

L'injecteur de carburant (en haut) a été scanné en 3D pour créer un modèle (en bas) qui pourrait être utilisé pour créer les pinces personnalisées.

Notre nouvelle conception de pince radiale détaillée se monte sur les bras rotatifs fixés au piston d'un vérin pneumatique.

Le nouveau préhenseur a été prototypé et fabriqué sur une imprimante 3D Formlabs Form 3 SLA. Formlabs propose plusieurs matériaux pour le prototypage rapide, tels que Draft Resin pour des prototypes rapides. Dans notre cas, la Standard Black Resin a été utilisée pour développer le prototype initial de la conception. Les deux moitiés de préhension peuvent être imprimées sur la Form 3 en une seule construction. Les matériaux peuvent être facilement modifiés, ce qui accélère l'obtention d'un produit final à partir de l'idée originale.

La fabrication du composant d'utilisation finale nécessitait un matériau plus durable pour soutenir l'environnement de production. En conséquence, la résine Rigid 4000 a été utilisée pour fabriquer les pinces finales. Ce matériau polymère rempli de verre extrêmement rigide offre une durabilité, une rigidité et une finition attrayante pour les pièces imprimées.

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Numérisation 3D pour l'ingénierie inverse, la restauration et la métrologie

Les flux de travail de numérisation et d'impression 3D peuvent être appliqués à la réplication et à la restauration, à la rétro-ingénierie, à la métrologie, etc. Téléchargez notre livre blanc ou regardez notre webinaire pour découvrir comment commencer à utiliser ces technologies pour affiner vos propres workflows de conception.

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Résultats

Le processus de conception et d'impression 3D des pinces irrégulières a été un succès complet et elles fonctionnent comme prévu. Les capacités des pinces imprimées en 3D sont de loin supérieures aux pinces précédentes.

L'ensemble cylindre pneumatique ; complet avec des pinces imprimées en 3D tenant l'injecteur de carburant.

Les avantages des pinces imprimées en 3D sont les suivants :

• Une plus grande surface pour saisir l'injecteur de carburant, conduisant à moins de zones concentrées de force qui pourraient endommager ou rayer l'injecteur de carburant et user la pince. Même si la pince devait supporter l'usure, la conception unique de la pince englobante permettra toujours à la pince de fonctionner au niveau souhaité.

• Avec les pinces fonctionnant dans un mouvement de préhension radial, le jeu sur les bords intérieurs des pinces peut être incorporé dans la conception au lieu d'être usiné. Cela élimine les bords carrés dans la cavité de préhension et permet une préhension uniforme et une libération complète de l'injecteur de carburant.

• Les mâchoires de préhension détaillées alignent et orientent l'injecteur de carburant dans la position souhaitée, réduisant ainsi la quantité d'équipements supplémentaires et de stations de fabrication nécessaires pour orienter les pièces sélectionnées.

• Grâce à la conception complète de la pince, moins de pression de la pince est nécessaire pour saisir l'injecteur de carburant, ce qui a conduit à des exigences de pression pneumatique ou hydraulique plus faibles pour l'équipement de manutention.

• Les pinces sont conçues pour éliminer les structures de composants minces et offrent une conception unique pour maximiser la résistance du matériau de la résine, tout en incluant une cavité hexagonale qui englobe un écrou hexagonal dans l'assemblage pour simplifier l'installation.

• La sérialisation ou l'étiquetage du composant imprimé SLA est réalisé pendant le processus d'impression, éliminant ainsi les processus d'estampage ou de gravure.

Conclusion

La Formlabs Form 3, équipée d'un large éventail de matériaux d'impression, offre une alternative exceptionnelle aux processus de fabrication traditionnels pour la fabrication de composants personnalisés, tels que les aides à la fabrication.

Les composants imprimés offrent une durabilité adéquate, coûtent beaucoup moins cher pour des conceptions plus détaillées et peuvent être produits et mis en œuvre en une fraction du temps. L'avenir de la fabrication automatisée consistera en des produits très détaillés conçus avec un logiciel de CAO et imprimés en 3D à l'aide d'une variété de matériaux.

À l'aide des imprimantes 3D Formlabs et du logiciel de CAO, STS Technical Group peut concevoir et fabriquer des composants irréguliers très détaillés pour ses clients.