Con sede nel Wisconsin, STS Technical Group opera da quasi 40 anni lavorando con i clienti su personale e progettazione tecnica. Con oltre 250 dipendenti nei centri di reclutamento negli Stati Uniti, l’azienda è cresciuta e si è adattata al panorama in continua evoluzione delle tecnologie di produzione, offrendo servizi nuovi e innovativi man mano che emergono.
STS utilizza la tecnologia di stampa 3D di Formlabs e la sua varietà di materiali particolarmente adatti per un uso estensivo nell’ambiente di produzione, per la loro capacità di produrre componenti stampati in 3D di livello medico e l’alta qualità dei componenti stampati.
In questo caso di studio, Benjamin Heard, Direttore dei servizi di ingegneria di STS Technical Group, illustra lo sviluppo di pinze personalizzate per lo spostamento e il posizionamento degli iniettori di carburante in un ambiente di produzione, evidenziando i vantaggi della stampa 3D di un componente rispetto alla produzione con metodi di produzione tradizionali come la fusione e lavorazione. Heard spiegherà anche perché le capacità delle pinze personalizzate stampate in 3D sono di gran lunga superiori alle precedenti pinze prodotte tradizionalmente.
Come scegliere un processo di produzione per la realizzazione di componenti specifici
Per la produzione di un componente specifico, in fase di sviluppo devono essere considerati molti processi di produzione, come la fusione, la fabbricazione, la lavorazione e i processi di stampa 3D come la modellazione a deposizione fusa (FDM) o la stampa stereolitografia (SLA).
Indubbiamente la stampa 3D porta con sé alcuni vantaggi nella realizzazione di componenti quali:
Maggiori dettagli rispetto alla fusione e/o alla lavorazione. Lo spessore dello strato di stampa può raggiungere fino a 25 micron.
Più convenienza rispetto alla fusione, alla fabbricazione o alla lavorazione meccanica quando si tratta di progetti altamente dettagliati.
Tempi di consegna e produzione significativamente inferiori rispetto a fusione, fabbricazione o lavorazione.
Non è necessaria alcuna lavorazione dopo la stampa, quindi non serve disporre di costose apparecchiature di lavorazione che richiedono manodopera qualificata e una configurazione noiosa.
Ampia scelta di materiali resistenti e leggeri.
I progetti creati con il software CAD possono essere salvati e riutilizzati secondo necessità per la sostituzione, senza bisogno di inventario.
Gli articoli stampati in 3D possono essere progettati per essere più compatibili per l’installazione incorporando strategicamente materiale aggiuntivo per rafforzare i supporti e incorporando caratteristiche per l’installazione come fori per viti/bulloni e cavità esagonali.
Se una parte polimerica stampata in 3D SLA subisce un forte impatto durante il funzionamento, è probabile che si rompa, mentre le parti metalliche tendono a piegarsi fuori tolleranza.
Costi di sostituzione inferiori e tempi di consegna più rapidi per componenti rotti e parti di ricambio.
Le parti stampate hanno un aspetto estetico che può essere verniciato o ricoperto con un rivestimento desiderato.
Offre un’alternativa per i materiali che non sono adatti alla lavorazione perché si sciolgono, si scheggiano o si incrinano durante il processo.
Costi di spedizione inferiori grazie al peso inferiore e al materiale di imballaggio ridotto.
Quando si decide tra componenti di fusione, fabbricazione, lavorazione o stampa 3D, è importante considerare innanzitutto la durata che la parte deve avere. Mentre le parti metalliche prodotte con processi tradizionali offrono maggiore resistenza, durata e resistenza all’usura, molti componenti hanno requisiti che possono essere facilmente soddisfatti dalla stampa 3D con materiali specifici.
Anche l’ambiente di lavoro deve essere considerato durante la selezione per garantire che il materiale possa resistere alla temperatura, ai livelli di umidità o alla presenza di sostanze corrosive. La stampa 3D di componenti di grandi dimensioni può rappresentare una sfida, ma le stampanti 3D di grande formato, come la Form 3L, possono soddisfare richieste di stampa più grandi.
Progettazione e stampa 3D di pinze personalizzate per iniettori di carburante
Quando si progettano le pinze per operazioni di pick and place, vengono presi in considerazione molti fattori. I materiali utilizzati nel componente prelevato e nella pinza, la forza di presa, la geometria del componente prelevato, le ganasce radiali rispetto al movimento lineare delle ganasce, le distanze circostanti e le tolleranze di posizione di prelievo e posizionamento richieste.
Il materiale del dito della pinza è tipicamente selezionato per essere significativamente più forte e più duro della parte raccolta per garantire che le braccia non si consumino dopo migliaia o addirittura milioni di cicli. Un tipico materiale di presa è l’acciaio temprato, che può causare danni alle superfici delle parti raccolte più morbide. Quando la finitura è delicata, alle pinze vengono aggiunti rivestimenti o scarpe. Inoltre, quando le parti vengono spostate in posizione per l’esecuzione di ulteriori lavori meccanici sull’elemento, uno scarso contatto di presa potrebbe comportare un posizionamento errato della parte e la creazione di difetti di lavorazione.
In generale, le ganasce di presa vengono tagliate a forma di “V” per elementi prelevati cilindrici o con bordi non piatti. Questa forma offre un contatto affidabile con la parte prelevata in due posizioni per lato in un contatto tangente morbido. Ancora più importante, è un design semplice ed economico che può essere scalato a qualsiasi numero di processi.
Gli svantaggi di questo design includono concentrazioni di forza che sono stressanti sia per la pinza che per l’oggetto, con conseguente usura isolata della pinza. Inoltre, le pinze a “V” possono posizionare un articolo solo in modo astratto, con conseguente necessità di un meccanismo di posizionamento secondario per ulteriori processi di produzione.
Scegliendo la stampa 3D per produrre le pinze, le opzioni di progettazione aumentano notevolmente ed è possibile produrre impugnature sagomate che distribuiscono la forza su un’area di contatto più ampia.
Nel nostro esempio, abbiamo utilizzato uno scanner 3D laser Creaform e il software di modellazione VX Elements per ottenere una scansione 3D virtuale dell’iniettore di carburante per assistere nella progettazione delle pinze. La scansione ha prodotto un’immagine con dettagli intricati, invece di dover misurare noiosamente ogni spazio, cilindro e apertura sull’iniettore di carburante. L’immagine scansionata potrebbe quindi essere importata nel software CAD 3D per generare un design estremamente dettagliato utilizzando una funzione di stampo nel software.
Il nuovo design dettagliato della pinza radiale si monta sui bracci rotanti fissati al pistone di un cilindro pneumatico.
La nuova pinza è stata prototipata e prodotta con una stampante 3D SLA Formlabs Form 3. Formlabs offre più materiali per la prototipazione rapida, come la Draft Resin per prototipi rapidi. Nel nostro caso, è stata utilizzata la Standard Black Resin per sviluppare il prototipo iniziale del design. Entrambe le metà della pinza possono essere stampate sulla Form 3 in un’unica struttura. I materiali possono essere cambiati facilmente, il che accelera il raggiungimento di un prodotto finale dall’idea originale.
La produzione del componente per uso finale richiedeva un materiale più durevole per sostenere l’ambiente di produzione. Di conseguenza, è stata utilizzata la Rigid 4000 Resin per realizzare le pinze finali. Questo materiale polimerico estremamente rigido e caricato con fibra di vetro offre un’elevata durata, rigidità e una finitura accattivante per le parti stampate.
Risultati
Il processo di progettazione e stampa 3D delle pinze irregolari è stato completato con successo e funzionano come previsto. Le capacità delle pinze stampate in 3D sono di gran lunga superiori alle pinze precedenti.
Quali quindi i vantaggi delle pinze stampate in 3D?
Maggiore superficie per afferrare l’iniettore di carburante, portando ad aree meno concentrate di forza che potrebbero danneggiare o graffiare l’iniettore di carburante e usurare la pinza. Anche se la pinza dovesse sopportare l’usura, l’esclusivo design della pinza completamente avvolgente consentirà comunque alla pinza di funzionare al livello desiderato.
Con le pinze che operano con un movimento di presa radiale, il gioco sui bordi interni delle pinze può essere incorporato nel design invece che lavorato. Ciò elimina i bordi squadrati nella cavità di presa e consente la presa uniforme e il completo rilascio dell’iniettore di carburante.
Le dettagliate ganasce di presa allineano e orientano l’iniettore di carburante nella posizione desiderata, riducendo la quantità di apparecchiature aggiuntive e stazioni di produzione necessarie per orientare le parti prelevate.
Con il design della pinza completamente avvolgente, è necessaria una pressione della pinza inferiore per afferrare l’iniettore di carburante, il che ha portato a minori requisiti di pressione pneumatica o idraulica per l’attrezzatura per la movimentazione dei materiali.
Le pinze sono progettate per eliminare le strutture dei componenti sottili e fornire un design unico per massimizzare la resistenza del materiale della resina, includendo una cavità esagonale che racchiude un dado esagonale nell’assieme per semplificare l’installazione.
La serializzazione o l’etichettatura del componente stampato SLA viene ottenuta durante il processo di stampa, eliminando i processi di stampaggio o incisione.
Conclusioni
La Form 3 di Formlabs, dotata di un’ampia gamma di materiali di stampa, offre un’eccezionale alternativa ai processi di produzione tradizionali per la produzione di componenti personalizzati, come gli ausili per la produzione.
I componenti stampati offrono una durata adeguata, costano molto meno per progetti più dettagliati e possono essere prodotti e implementati in una frazione del tempo. Il futuro della produzione automatizzata consisterà in prodotti altamente dettagliati progettati con software CAD e stampati in 3D utilizzando una varietà di materiali.
Utilizzando le stampanti 3D Formlabs e il software CAD, STS Technical Group può progettare e sviluppare componenti irregolari altamente dettagliati per i propri clienti.
