Pinzas de inyección de combustible personalizadas con impresión 3D para un robot Pick and Place

Con sede en Wisconsin, STS Technical Group ha estado operando durante casi 40 años trabajando con los clientes en el diseño técnico y la dotación de personal. y desafíos de ingeniería. Con más de 250 empleados en los centros de contratación en los EE. UU., La empresa ha crecido y se ha adaptado al panorama en constante cambio de las tecnologías de fabricación, ofreciendo servicios nuevos e innovadores a medida que surgen.

STS utiliza la tecnología de impresión 3D de Formlabs debido a la variedad de materiales que son adecuados para un uso extensivo en el entorno de fabricación, la capacidad de producir componentes impresos en 3D de grado médico y la alta calidad de los componentes impresos.

En este caso de estudio, el Director de Servicios de Ingeniería de STS Technical Group, Benjamin Heard, lo guía a través del desarrollo de pinzas personalizadas para mover y colocar inyectores de combustible en un entorno de fabricación, destacando las ventajas de imprimir en 3D un componente frente a producirlo con métodos de producción tradicionales como la fundición. y mecanizado. Heard también explicará por qué las capacidades de las pinzas impresas en 3D personalizadas son muy superiores a las pinzas anteriores fabricadas tradicionalmente.

Cómo elegir un proceso de producción para componentes específicos

Para la fabricación de un componente específico, se deben considerar muchos procesos de producción durante el desarrollo, como procesos de fundición, fabricación, mecanizado e impresión 3D, como el modelado por deposición fundida (FDM) o la impresión por estereolitografía (SLA).

Algunas ventajas de la impresión 3D para la fabricación de componentes:

• Mayor detalle que la fundición y / o el mecanizado. El grosor de la capa de impresión puede ser tan pequeño como 25 micrones.

• Más rentable que la fundición, la fabricación o el mecanizado cuando se trata de diseños muy detallados.

• Tiempos de producción y producción significativamente más bajos que los de fundición, fabricación o mecanizado.

• No se requiere mecanizado después de la impresión, por lo tanto, no es necesario tener costosos equipos de mecanizado que requieran mano de obra calificada y una tediosa configuración.

• Amplia selección de materiales ligeros y duraderos.

• Los diseños creados con software CAD se pueden guardar y reutilizar según sea necesario para reemplazo, sin necesidad de inventario.

• Los elementos impresos en 3D se pueden diseñar para que sean más compatibles para la instalación incorporando estratégicamente material adicional para fortalecer los soportes e incorporando características para la instalación, como orificios para tornillos / pernos y cavidades hexagonales.

• Si una pieza de polímero impresa en 3D SLA sufre un impacto severo durante la operación, es probable que se rompa, mientras que las piezas metálicas tienden a doblarse fuera de tolerancia y continúan produciendo piezas fuera de especificaciones.

• Menores costos de reemplazo y un tiempo de entrega más rápido para componentes rotos y piezas de repuesto.

• Las piezas impresas tienen una apariencia estética que se puede pintar o cubrir con un revestimiento deseado.

• Ofrece una alternativa para materiales que no son adecuados para el mecanizado porque se derretirán, astillarán o agrietarán durante el proceso.

• Menores costos de envío debido al menor peso y al material de empaque reducido.

Al decidir entre componentes de fundición, fabricación, mecanizado o impresión 3D, primero considere la durabilidad que debe poseer la pieza. Si bien las piezas metálicas producidas con procesos tradicionales ofrecen mayor resistencia, durabilidad y resistencia al desgaste, muchos componentes tienen requisitos que pueden satisfacerse fácilmente mediante la impresión 3D con materiales de ingeniería específicos.

El entorno de trabajo también debe tenerse en cuenta durante la selección para garantizar que el material pueda soportar la temperatura, los niveles de humedad o la presencia de corrosivos. La impresión 3D de componentes grandes puede representar un desafío, pero las impresoras 3D de gran formato, como la Form 3L, pueden adaptarse a solicitudes de impresión más grandes.

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Introducción a la impresión 3D con estereolitografía de escritorio (SLA)

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Diseño e impresión 3D de pinzas de inyector de combustible personalizadas

Se tienen en cuenta muchos factores al diseñar pinzas para operaciones de recogida y colocación. Los materiales utilizados en el componente recogido y la pinza, la fuerza de agarre, la geometría del componente recogido, las mordazas radiales frente al movimiento lineal de la mordaza, las holguras circundantes y las tolerancias de ubicación de recogida y colocación requeridas.

El material de los dedos de la pinza generalmente se selecciona para que sea significativamente más fuerte y más duro que la pieza recortada para garantizar que los brazos no se desgasten después de miles o incluso millones de ciclos. Un material de agarre típico es el acero endurecido, que puede dañar las superficies de las piezas recogidas más blandas. Cuando el acabado es delicado, se agregan revestimientos o zapatos a las pinzas. Además, cuando las piezas se mueven a su posición para realizar trabajo adicional de la máquina en el artículo, un mal contacto de agarre podría resultar en una mala colocación de la pieza y la creación de defectos mecanizados.

Las pinzas genéricas que se instalaron originalmente en el cilindro neumático.

En general, las mordazas de la pinza se cortan en forma de "V" para los artículos recogidos que son cilíndricos o tienen bordes no planos. Esta forma ofrece un contacto confiable con la pieza seleccionada en dos ubicaciones por lado en un contacto tangente suave. Más importante aún, es un diseño simple y rentable que se puede escalar a cualquier número de procesos.

Los inconvenientes de este diseño incluyen concentraciones de fuerza que son estresantes tanto para la pinza como para el artículo, lo que da como resultado un desgaste aislado de la pinza. Además, las pinzas en "V" solo pueden colocar un artículo de forma abstracta, lo que genera la necesidad de un mecanismo de posicionamiento secundario para procesos de fabricación adicionales.

Al elegir la impresión 3D para producir las pinzas, las opciones de diseño aumentan enormemente y es posible producir pinzas que se ajustan a la forma y distribuyen la fuerza a través de un área de contacto más grande.

En nuestro ejemplo, utilizamos un escáner láser 3D de Creaform y el software de modelado VX Elements para obtener un escaneo virtual en 3D del inyector de combustible para ayudar con el diseño de las pinzas. El escaneo dio como resultado una imagen con detalles intrincados, en lugar de tener que medir tediosamente cada espacio, cilindro y abertura del inyector de combustible. La imagen escaneada podría importarse luego al software CAD 3D para generar un diseño extremadamente detallado utilizando una función de molde en el software.

El inyector de combustible (arriba) se escaneó en 3D para crear un modelo (abajo) que podría usarse para crear las pinzas personalizadas.

Nuestro nuevo y detallado diseño de pinza radial se monta en los brazos giratorios unidos al pistón de un cilindro neumático.

La nueva pinza se diseñó y fabricó en una impresora 3D Formlabs Form 3 SLA. Formlabs ofrece múltiples materiales para la creación rápida de prototipos, como Draft Resin para prototipos rápidos. En nuestro caso, se utilizó Standard Black Resin para desarrollar el prototipo inicial del diseño. Ambas mitades de pinza se pueden imprimir en la Form 3 en una sola construcción. Los materiales se pueden cambiar fácilmente, lo que acelera la obtención de un producto final a partir de la idea original.

La fabricación del componente de uso final requería un material más duradero para sostener el entorno de producción. Como resultado, se utilizó la resina Rigid 4000 para hacer las pinzas finales. Este material de polímero relleno de vidrio extremadamente rígido ofrece una gran durabilidad, rigidez y un acabado atractivo para las piezas impresas.

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Escaneo 3D para ingeniería inversa, restauración y metrología

Los flujos de trabajo de escaneo e impresión 3D se pueden aplicar a la replicación y restauración, ingeniería inversa, metrología y más. Descargue nuestro informe técnico o vea nuestro seminario web para aprender cómo comenzar a utilizar estas tecnologías para sofisticar sus propios flujos de trabajo de diseño.

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Resultados

El proceso de diseño e impresión 3D de las pinzas irregulares fue un completo éxito y funcionan como se esperaba. Las capacidades de las pinzas impresas en 3D son muy superiores a las de las pinzas anteriores.

El conjunto de cilindro neumático; completo con pinzas impresas en 3D que sujetan el inyector de combustible.

Las ventajas de las pinzas impresas en 3D son las siguientes:

• Mayor área de superficie para agarrar el inyector de combustible, lo que conduce a áreas de menor concentración de fuerza que podrían dañar o rayar el inyector de combustible y desgastar la pinza. Incluso si la pinza sufriera desgaste, el exclusivo diseño de pinza que lo abarca completamente permitirá que la pinza funcione al nivel deseado.

• Con las pinzas funcionando en un movimiento de agarre radial, el espacio libre en los bordes interiores de las pinzas se puede incorporar en el diseño en lugar de mecanizar. Esto elimina los bordes cuadrados en la cavidad de agarre y permite el agarre uniforme y la liberación completa del inyector de combustible.

• Las mordazas de sujeción detalladas alinean y orientan el inyector de combustible a la posición deseada, lo que reduce la cantidad de equipos adicionales y estaciones de fabricación necesarios para orientar las piezas recogidas.

• Con el diseño de agarre que lo abarca completamente, se requiere menos presión de agarre para agarrar el inyector de combustible, lo que llevó a requisitos de presión hidráulica o neumática más bajos para el equipo de manipulación de materiales.

• Las pinzas están diseñadas para eliminar las estructuras de componentes delgados y proporcionar un diseño único para maximizar la resistencia del material de la resina, al tiempo que incluyen una cavidad hexagonal que incluye una tuerca hexagonal en el conjunto para simplificar la instalación.

• La serialización o etiquetado del componente impreso SLA se logra durante el proceso de impresión, eliminando los procesos de estampado o grabado.

Conclusión

Formlabs Form 3, equipado con una amplia gama de materiales de impresión, proporciona una alternativa excepcional a los procesos de fabricación tradicionales para fabricar componentes personalizados, como ayudas de fabricación.

Los componentes impresos ofrecen una durabilidad adecuada, cuestan mucho menos para diseños más detallados y se pueden producir e implementar en una fracción del tiempo. El futuro de la fabricación automatizada consistirá en productos altamente detallados diseñados con software CAD e impresos en 3D utilizando una variedad de materiales.

Con las impresoras 3D y el software CAD de Formlabs, STS Technical Group puede diseñar y diseñar componentes irregulares muy detallados para sus clientes.