打印机械加工车间工件夹具解决方案-化学工程师

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打印机械加工车间工件夹具解决方案

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增材制造

在研究基于精巧设计的3D打印机械加工车间工件夹具解决方案时，方案制定人考虑更多的是目标的易实现性。当Precision Metal Products（PMP）的工程师开始将目光投向3D打印工具时，结果已经显而易见。3D打印技术可以节省大量的人工、时间和成本，为车间目标的实现提供完美的保证。

40年来，总部位于康涅狄格州米尔福德的PMP一直在为医疗、国防、微电子和商务等多个行业提供服务。如今，这家由一名杰出女性开办的车间已拥有135名员工，并通过了AS9100D、ISO 9001∶2008和ISO ∶2003标准认证。车间的核心功能包括计算机数控铣削和车削、瑞士式加工、金属冲压、电火花线切割加工（EDM）和轻型组装工作。一般情况下，PMP主要承接大批量生产任务（在产量和主轴正常运行时间上占优），尤其是PMP的各种三轴和四轴计算机数控加工中心。

和其他车间一样，PMP也经常会遇到各种工具瓶颈问题，尤其是在制造定制工件夹具装置的劳动密集型、高费用和高时耗过程中。从设计到完成，PMP的定制固定装置通常需要一周或更长的时间，而且基本上都只能使用一次。PMP项目工程师Rich Scanlon说道：“现在回想起来，这就是我们过去的做事方式。工程师拿到图纸后确定工具夹紧的方法。然后，由我来进行制造设计、购买材料、找到所有夹具和硬件，并与工具制造商沟通，制定时间表。从概念设计到成品，需要很长时间。”

PMP是怎么解决这个问题的呢？去年秋天，当公司为解决这个问题而购买一台Markforged X7 3D打印机时，没有人想到增材制造会影响到车间的业务运营现状（图1）。

图1 为了解决定制固定装置交付周期长、成本高等问题，PMP购买了一台Markforged X7 3D打印机

绕过工具室

2017年秋天，Rich Scanlon和PMP副总裁Sean O’Brien参加了由马萨诸塞州机床和增材制造设备供应商Methods Machine Tools举行的一场招待会。带着车间的工作瓶颈问题参加完招待会后，Rich Scanlon和Sean O’Brien与Methods的增材及管理系统销售和支持经理Keith Carlisle达成了一份购买Markforged X7的口头协议：如果Methods可以制造出符合车间标准的一些固定装置和部件样品，公司便会考虑购买X7。最后的情况也确实如此。

图2 PMP是一家17-4不锈钢医疗器械的大批量供应商。这种医疗器械尺寸很小，不足1/10 in，两侧轮廓明显

图3 通过3D打印技术，PMP可以绕开几个常规步骤，包括部件设计、绘图、安排工具制造商以及制造固定装置和两个夹具

一年多以后，二人将X7直接与公司的工装和固定装置工作流程集于一体。由Methods提供机器操作的初步培训。采用碳纤维、凯夫拉尔纤维或玻璃纤维等强度/重量比高于6061铝的材料进行增强的塑料，经过该机器挤压后，所得单层高度仅为50μm。PMP几乎一直在使用Markforged的专有材料Onyx（一种掺有碎碳纤维的尼龙热塑性塑料）进行打印。也就是说，3D打印工具所需的材料强度并不是PMP的当务之急。

相反，车间调整活动主要集中在工具的设计和工作流程上，即帮助工具室摆脱束缚，调整工具制造的分离式思维模式。Rich Scanlon说道：“增材制造要求‘非常规思维方式’。过去，我们的常规操作是寻找工具制造商，制定时间表，跟进夹具和其他硬件，然后占用部件制造机床的宝贵时间进行设计部件铣削或磨削。”

而现在，一切有了翻天覆地的变化，Rich Scanlon每次想到都会笑。他说道：“我们使用Pro Engineer完成部件夹具设计建模，绘制出夹具的图纸后剩下的便交给打印机了。周五下班前，设置后打印机将按照设置开始工作。到了下周一早上，所有所需部件均已准备就绪，我们将全力应付下一周的大难题。”

难题与困境

PMP主要是大批量供应一款直径不到1/10 in的圆形17-4不锈钢医疗器械（图2）。对于车间而言，制造一个直径仅为0.25 in的工件工具并不比制造一个用于较大工件的工具难。该过程包括两步或多步设置、计算机数控编程、特殊夹具和电线切割放电加工。前文提到的大难题是指在计算机数控加工过程中，冷却剂的作用力会将虎钳中的部件吹到机器的后部。

这个问题的解决之法不在于3D打印的铁卡爪，而是一个5 in×5 in×3 in的3D打印盒。Rich Scanlon在盒子的五面墙壁（一侧敞开）上设计了若干密集的溢流冷却剂槽阵列，即数百个小的三角形形成筛网，用于冷却剂流通。工件垂直卡入盒子中间的0.5 in孔中，从而使主轴能够在盒子里接触到部件的所有侧面。

文章来源：《化学工程师》网址: http://www.hxgcszz.cn/qikandaodu/2021/0419/723.html