Mâchoires d'étau de fraisage pour impression 3D

Le problème de l'usinage aujourd'hui est simple :il coûte cher et prend trop de temps. Le temps d'un opérateur qualifié. Du temps sur une machine chère. Il est temps de s'installer. Il est temps de prendre une pièce en main.

Ce problème devient extrêmement douloureux lorsqu'il s'agit d'usiner des outils personnalisés - la production de montages, de gabarits, de moules et de modèles. L'outillage est traditionnellement l'une des parties les plus longues et les plus coûteuses du processus d'usinage. Encore une fois, pourquoi l'outillage est-il si douloureux ?

Cela prend du temps et coûte cher.

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Prise de temps

Le processus typique pour obtenir un jeu de mâchoires de fraisage personnalisées est :

Concevoir des mâchoires dans un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO)

1. Projet de plan/dessin des mâchoires en CAO

2. Approuver la conception des mâchoires

3. Programmer la CNC

4. Programmer les mâchoires sur CNC

5. Mâchoires de la machine sur CNC

6. Attendez...

7. Livrer les mâchoires

Au moment où les mâchoires sont livrées, jusqu'à cinq personnes différentes l'ont touchée au cours du processus. Un ingénieur concepteur pour concevoir les mâchoires. Un gestionnaire pour signer le plan/dessin. Un programmeur pour programmer la CNC. Un machiniste qualifié pour usiner les mâchoires.

Maintenant, que se passe-t-il lorsque la pièce que les mâchoires ont été conçues pour tenir est itérée de la Rev 1 à la Rev 2 et, éventuellement, à la Rev 3 ? Chaque révision entraîne une révision des mâchoires, et l'ensemble du processus recommence à partir de la première étape.

Coûteux

Pour les faibles volumes de production, les fabricants refusent la production ou facturent une prime par coût unitaire. Le problème inhérent à l'outillage est qu'il ne génère pas de revenus. Par exemple, le coût pour un fabricant d'usinage d'un jeu de mâchoires de fraisage sur une CNC est le temps d'arrêt de la machine, la main-d'œuvre et les frais généraux. L'usinage des mâchoires de fraisage n'aide pas les résultats d'un fabricant. Si les mâchoires ne sont plus jamais utilisées, afin de récupérer le coût initial initial et ses itérations successives, le coût des mâchoires est misé et réparti sur les mâchoires de fraisage finales de série ou sur les pièces d'utilisation finale génératrices de revenus en cours d'usinage.

C'est là qu'intervient la fabrication additive — familièrement connue sous le nom d'impression 3D.

Fabrication Additive

En plus de permettre plus de liberté dans la conception, la fabrication additive fait passer l'outillage d'un outil long et coûteux à un outil pratique et abordable. Pour l'outillage ponctuel, la fabrication additive permet aux fabricants d'améliorer leurs résultats en réduisant les temps d'arrêt des machines CNC, la main-d'œuvre et les frais généraux au seul coût des matériaux. Comme le montre la figure 1, il est extrêmement abordable d'imprimer en 3D des outils uniques par rapport à la fabrication conventionnelle.

La fabrication additive rationalise la production de pièces d'utilisation finale génératrices de revenus en réduisant considérablement leur temps de mise sur le marché. Avec la fabrication additive, les mâchoires peuvent être imprimées immédiatement après la conception, perturbant complètement le paradigme de fabrication d'outillage.

Fini le temps ardu de la conception, de l'ébauche, de l'approbation, de la programmation, de la planification, de la machine, de l'inspection et de la répétition ; Fini le temps où l'on utilisait une CNC génératrice de revenus pour usiner un jeu de mâchoires ; Fini le temps où les programmeurs CNC devaient programmer pour usiner un seul jeu de mâchoires. Plus l'outillage est disponible rapidement, plus les pièces finales génératrices de revenus peuvent être usinées rapidement.

Lire notre Guide de conception des composites

Comment imprimer en 3D des mâchoires de fraisage

Lors de la conception de mâchoires de fraisage pour l'impression 3D, les trois conditions préalables sont la compréhension de la conception des mâchoires de fraisage, de la CAO et de la fabrication continue de fibres (CFF). Les premier et deuxième prérequis sont explicites. Pour le dernier prérequis, l'impression 3D des mâchoires de fraisage est une question d'orientation et de renforcement avec CFF. Alors, qu'est-ce que le CFF ?

Fabrication continue de fibres (CFF)

Les technologies de fabrication additive du passé impriment des thermoplastiques trop faibles pour résister aux environnements difficiles de l'usinage CNC. Avec l'introduction de la fabrication de fibres continues (CFF), Markforged a bouleversé l'industrie de la fabrication additive en imprimant avec des fibres continues (fibre de carbone, Kevlar® et fibre de verre) pour renforcer les pièces thermoplastiques imprimées. La résistance des fibres continues est illustrée à la figure 2.

Par exemple, la pièce à aiguilles représentée sur la figure 3 nécessite une opération de surfaçage sur l'une de ses faces. Les mâchoires de fraisage utilisées pour cette opération sont illustrées à la figure 4.

Les fibres continues sont imprimées sur le plan XY parallèlement à la plaque de fabrication, ce qui rend l'orientation critique ! Lorsque l'on considère comment orienter un jeu de mâchoires de fraisage pour l'impression, les clés du succès sont de comprendre comment la pression de serrage sera appliquée aux mâchoires et comment acheminer les fibres continues pour contrer les pressions de serrage. Par exemple, les mâchoires représentées sur la figure 4 sont conçues pour serrer la pièce à usiner pour une opération de surfaçage. Les pressions de serrage sont aux points de contact conformes à la pièce. Aux points de contact, les mâchoires subissent les pressions de serrage sous forme de force de compression causée par la pièce et l'étau, comme illustré à la figure 5.

Afin d'acheminer de manière optimale la fibre continue pour contrer les forces de compression, il est important de comprendre que les fibres sont les plus résistantes en tension. Lors du renforcement des mâchoires de fraisage avec de la fibre continue, acheminez la fibre pour maximiser le nombre de fibres pouvant être mises en tension. Dans la figure 6, les fibres continues sont acheminées de manière concentrique autour des parois extérieures de la pièce et seront mises en tension en raison des forces de compression.

Les fibres continues mises en tension résistent aux forces de compression pour maintenir les mâchoires dimensionnellement stables. Il est important de noter que l'utilisation de l'étau pour prendre en sandwich les mâchoires et les renforcer contre les forces de cisaillement à travers les couches imprimées joue un rôle clé. Lorsque vous envisagez la conception de la mâchoire, maximisez la quantité de contact de surface avec l'étau.

Mâchoires de fraisage avancées pour l'impression 3D

La prochaine étape de l'impression 3D de mâchoires de fraisage consiste à créer une mâchoire de fraisage modulaire. Par exemple, au lieu d'imprimer toute la mâchoire illustrée à la figure 4, envisagez d'utiliser un jeu de mâchoires dures comme « ébauches » et des mâchoires souples d'impression 3D comme « inserts ». Comme le montre la figure 7, la mâchoire en métal usinée est le « blanc » représenté en violet, et la mâchoire souple composite imprimée en 3D est « l'insert » représenté en vert. Étant donné que la géométrie conforme change entre les différentes pièces, un seul flan peut servir de nombreuses plaquettes.

Bien que les mâchoires CFF soient idéales pour remplacer les mâchoires en aluminium en raison de la parité de la résistance et de la nature non marquante des composites, que se passe-t-il lorsqu'il est nécessaire de remplacer les mâchoires en acier ? Tirant parti de la même idée de modularité, le « blanc » peut être usiné en aluminium ou imprimé en 3D CFF, tandis que les « inserts » sont imprimés en 3D sur le système Metal X par un processus connu sous le nom de fabrication additive à diffusion atomique (ADAM). Avec la version actuelle de l'acier inoxydable 17-4PH et de l'acier à outils H13, le système Metal X conserve tous les avantages de l'impression 3D, tels que des géométries conformes, des délais d'exécution rapides et des coûts réduits, et répond aux propriétés matérielles requises pour remplacer l'acier mâchoires.

Passant des étagères d'outillage à une solution rapide et interchangeable, la mâchoire de fraisage modulaire est l'avenir de la fabrication. La fabrication additive fait passer l'outillage de fabrication d'un outillage fastidieux et coûteux à un outil encore plus simple et abordable.

Comment optimiser l'impression 3D des mâchoires d'étau de fraisage

L'impression 3D des mâchoires d'étau de fraisage n'est pas sorcier, mais elle nécessite une compréhension fondamentale de la conception des étaux de fraisage, de la CAO et du CFF. Les étapes importantes à retenir sont :

(1) déterminer les pressions de serrage sur les mâchoires de l'étau de fraisage entre la pièce et l'étau ;

(2) choisir une orientation d'impression qui maximise la tension des fibres contre les pressions de serrage ; et

(3) renforcer avec des fibres continues en tension.

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