Benutzerdefinierte 3D-Druck-Kraftstoffeinspritz-Greifer für einen Pick-and-Place-Roboter

Die STS Technical Group hat ihren Hauptsitz in Wisconsin und arbeitet seit fast 40 Jahren mit Kunden in den Bereichen Personalbesetzung und technisches Design. und technische Herausforderungen. Mit über 250 Mitarbeitern in Rekrutierungszentren in den USA ist das Unternehmen gewachsen und hat sich an die sich ständig verändernde Landschaft der Fertigungstechnologien angepasst und bietet neue und innovative Dienstleistungen an, sobald sie auftauchen.

STS verwendet die 3D-Drucktechnologie von Formlabs aufgrund der Vielzahl von Materialien, die für den umfangreichen Einsatz in der Fertigungsumgebung geeignet sind, der Fähigkeit, 3D-gedruckte Komponenten in medizinischer Qualität herzustellen, und der hohen Qualität der gedruckten Komponenten.

In dieser Fallstudie führt Sie Benjamin Heard, Director of Engineering Services der STS Technical Group, durch die Entwicklung kundenspezifischer Greifer zum Bewegen und Positionieren von Kraftstoffinjektoren in einer Fertigungsumgebung und hebt die Vorteile des 3D-Druckens eines Bauteils gegenüber der Herstellung mit herkömmlichen Produktionsmethoden wie Gießen hervor. und Bearbeitung. Heard wird auch erklären, warum die Fähigkeiten der kundenspezifischen 3D-gedruckten Greifer den bisherigen, traditionell hergestellten Greifern weit überlegen sind.

So wählen Sie einen Produktionsprozess für bestimmte Komponenten

Für die Herstellung eines bestimmten Bauteils müssen während der Entwicklung viele Produktionsprozesse berücksichtigt werden, wie z. B. Gieß-, Fertigungs-, Bearbeitungs- und 3D-Druckprozesse wie Fused Deposition Modeling (FDM) oder Stereolithographie (SLA)-Druck.

Einige Vorteile des 3D-Drucks für die Herstellung von Komponenten:

• Mehr Details als beim Gießen und/oder Bearbeiten. Die Dicke der Druckschicht kann bis zu 25 Mikrometer betragen.

• Kostengünstiger als Gießen, Herstellen oder Bearbeiten, wenn es um hochdetaillierte Konstruktionen geht.

• Deutlich kürzere Vorlaufzeiten und Produktionszeiten als beim Gießen, Herstellen oder Bearbeiten.

• Nach dem Drucken ist keine Bearbeitung erforderlich, daher sind keine teuren Bearbeitungsgeräte erforderlich, die Facharbeiter und mühsames Einrichten erfordern.

• Große Auswahl an langlebigen, leichten Materialien.

• Mit CAD-Software erstellte Konstruktionen können gespeichert und bei Bedarf zum Austausch wiederverwendet werden, ohne dass eine Lagerhaltung erforderlich ist.

• 3D-gedruckte Artikel können für die Installation kompatibler gestaltet werden, indem zusätzliches Material zur Verstärkung der Stützen strategisch integriert wird und Features für die Installation wie Schrauben-/Bolzenlöcher und Sechskanthohlräume integriert werden.

• Wenn ein 3D-gedrucktes SLA-Polymerteil während des Betriebs starken Stößen ausgesetzt ist, wird es wahrscheinlich brechen, während Metallteile dazu neigen, sich außerhalb der Toleranz zu biegen und weiterhin Teile außerhalb der Spezifikationen zu produzieren.

• Geringere Austauschkosten und schnellere Vorlaufzeit für defekte Komponenten und Ersatzteile.

• Bedruckte Teile haben ein ästhetisches Erscheinungsbild, das lackiert oder mit einer gewünschten Beschichtung versehen werden kann.

• Bietet eine Alternative für Materialien, die nicht für die Bearbeitung geeignet sind, da sie während des Prozesses schmelzen, abplatzen oder reißen.

• Geringere Versandkosten durch geringeres Gewicht und reduziertes Verpackungsmaterial.

Berücksichtigen Sie bei der Entscheidung zwischen Guss-, Fertigungs-, Bearbeitungs- oder 3D-Druckkomponenten zunächst die Haltbarkeit, die das Teil aufweisen muss. Während mit herkömmlichen Verfahren hergestellte Metallteile eine höhere Festigkeit, Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit bieten, stellen viele Komponenten Anforderungen, die durch 3D-Druck mit spezifischen technischen Materialien problemlos erfüllt werden können.

Bei der Auswahl muss auch die Arbeitsumgebung berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das Material der Temperatur, Feuchtigkeit oder dem Vorhandensein von Korrosionsmitteln standhält. Der 3D-Druck großer Bauteile kann eine Herausforderung darstellen, aber großformatige 3D-Drucker wie der Form 3L können größere Druckanforderungen erfüllen.

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Entwerfen und 3D-Drucken von benutzerdefinierten Einspritzventilgreifern

Bei der Konstruktion von Greifern für Pick-and-Place-Operationen werden viele Faktoren berücksichtigt. Die in der aufgenommenen Komponente und im Greifer verwendeten Materialien, Greiffestigkeit, Geometrie der aufgenommenen Komponente, radiale Backen im Vergleich zu linearer Backenbewegung, umgebende Abstände und die erforderlichen Pick-and-Place-Positionstoleranzen.

Das Material des Greiferfingers wird in der Regel deutlich stärker und härter als das aufgenommene Teil gewählt, um sicherzustellen, dass die Arme nach Tausenden oder sogar Millionen von Zyklen nicht verschleißen. Ein typisches Greifermaterial ist gehärteter Stahl, der auf weicheren aufgenommenen Teileoberflächen Beschädigungen verursachen kann. Wenn das Finish empfindlich ist, werden die Greifer mit Beschichtungen oder Schuhen versehen. Wenn Teile für weitere maschinelle Bearbeitungen an dem Artikel in Position gebracht werden, kann ein schlechter Greifkontakt außerdem zu einer Fehlpositionierung des Teils und zur Entstehung von Bearbeitungsfehlern führen.

Die generischen Greifer, die ursprünglich auf dem Pneumatikzylinder installiert wurden.

Im Allgemeinen sind die Greiferbacken in einer „V“-Form für zylindrisch aufgenommene Artikel oder mit nicht ebenen Kanten geschnitten. Diese Form bietet zuverlässigen Kontakt zum aufgenommenen Teil an zwei Stellen pro Seite in einem weichen Tangentialkontakt. Noch wichtiger ist, dass es sich um ein einfaches und kostengünstiges Design handelt, das auf eine beliebige Anzahl von Prozessen skaliert werden kann.

Zu den Nachteilen dieser Konstruktion gehören Kraftkonzentrationen, die sowohl den Greifer als auch den Gegenstand belasten, was zu einem isolierten Greiferverschleiß führt. Darüber hinaus können V-Greifer einen Artikel nur abstrakt positionieren, was einen sekundären Positionierungsmechanismus für zusätzliche Fertigungsprozesse erforderlich macht.

Durch die Wahl des 3D-Drucks zur Herstellung der Greifer erhöhen sich die Gestaltungsmöglichkeiten erheblich und es lassen sich formschlüssige Greifer herstellen, die die Kraft auf eine größere Kontaktfläche verteilen.

In unserem Beispiel haben wir einen Creaform-Laser-3D-Scanner und die Modellierungssoftware VX Elements verwendet, um einen virtuellen 3D-Scan des Kraftstoffinjektors zu erstellen, um das Design der Greifer zu unterstützen. Der Scan führte zu einem Bild mit komplizierten Details, anstatt mühsam jeden Spalt, Zylinder und jede Öffnung am Kraftstoffinjektor messen zu müssen. Das gescannte Bild könnte dann in eine 3D-CAD-Software importiert werden, um mithilfe einer Formfunktion in der Software ein extrem detailliertes Design zu erstellen.

Der Kraftstoffinjektor (oben) wurde 3D-gescannt, um ein Modell (unten) zu erstellen, das verwendet werden konnte, um die benutzerdefinierten Greifer zu erstellen.

Unser neues detailliertes Radialgreiferdesign wird an den Dreharmen montiert, die am Kolben eines Pneumatikzylinders befestigt sind.

Der neue Greifer wurde als Prototyp auf einem Formlabs Form 3 SLA 3D-Drucker hergestellt und hergestellt. Formlabs bietet mehrere Materialien für das Rapid Prototyping, wie z. B. Draft Resin für schnelle Prototypen. In unserem Fall wurde Standard Black Resin verwendet, um den ersten Prototyp des Designs zu entwickeln. Beide Greiferhälften konnten auf dem Form 3 in einem Aufbau gedruckt werden. Materialien können leicht geändert werden, was den Weg von der ursprünglichen Idee zum Endprodukt beschleunigt.

Die Herstellung der Endanwendungskomponente erforderte ein haltbareres Material, um die Produktionsumgebung zu erhalten. Als Ergebnis wurde Rigid 4000 Resin verwendet, um die endgültigen Greifer herzustellen. Dieses extrem steife, glasgefüllte Polymermaterial bietet eine hohe Haltbarkeit, Steifigkeit und ein ansprechendes Finish für die gedruckten Teile.

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Ergebnisse

Der Prozess des Entwerfens und 3D-Druckens der unregelmäßigen Greifer war ein voller Erfolg und sie funktionieren wie erwartet. Die Fähigkeiten der 3D-gedruckten Greifer sind den bisherigen Greifern weit überlegen.

Die pneumatische Zylinderanordnung; komplett mit 3D-gedruckten Greifern, die das Einspritzventil halten.

Die Vorteile der 3D-gedruckten Greifer sind folgende:

• Größere Oberfläche zum Greifen des Einspritzventils, was zu weniger kraftkonzentrierten Bereichen führt, die das Einspritzventil beschädigen oder zerkratzen und den Greifer verschleißen könnten. Selbst wenn der Greifer verschleißen sollte, ermöglicht das einzigartige, vollständig umgreifende Greiferdesign dem Greifer immer noch, auf dem gewünschten Niveau zu arbeiten.

• Da die Greifer in einer radialen Greifbewegung arbeiten, kann ein Freiraum an den Innenkanten der Greifer in die Konstruktion eingearbeitet statt bearbeitet werden. Dadurch werden quadratische Kanten im Greifhohlraum eliminiert und ein gleichmäßiges Greifen und vollständiges Lösen des Kraftstoffinjektors ermöglicht.

• Die detaillierten Greiferbacken richten den Kraftstoffinjektor auf die gewünschte Position aus, wodurch die Anzahl der zusätzlichen Ausrüstung und Fertigungsstationen verringert wird, die zum Ausrichten der aufgenommenen Teile erforderlich sind.

• Durch das vollständig umfassende Greiferdesign ist weniger Greiferdruck zum Greifen des Kraftstoffinjektors erforderlich, was zu einem geringeren pneumatischen oder hydraulischen Druckbedarf für die Flurförderzeuge führte.

• Die Greifer wurden entwickelt, um dünne Komponentenstrukturen zu vermeiden und bieten ein einzigartiges Design, um die Materialfestigkeit des Harzes zu maximieren, während sie einen Sechskanthohlraum enthalten, der eine Sechskantmutter in der Baugruppe umfasst, um die Installation zu vereinfachen.

• Die Serialisierung oder Kennzeichnung der SLA-gedruckten Komponente erfolgt während des Druckprozesses, wodurch Stanz- oder Ätzprozesse entfallen.

Schlussfolgerung

Der Formlabs Form 3, ausgestattet mit einer breiten Palette an Druckmaterialien, bietet eine außergewöhnliche Alternative zu herkömmlichen Herstellungsverfahren zur Herstellung kundenspezifischer Komponenten, wie beispielsweise Fertigungshilfen.

Gedruckte Bauteile bieten eine ausreichende Haltbarkeit, kosten für detailliertere Designs deutlich weniger und können in einem Bruchteil der Zeit produziert und implementiert werden. Die Zukunft der automatisierten Fertigung wird aus hochdetaillierten Produkten bestehen, die mit CAD-Software entworfen und mit einer Vielzahl von Materialien in 3D gedruckt werden.

Mit Formlabs 3D-Druckern und CAD-Software kann die STS Technical Group für ihre Kunden hochdetaillierte unregelmäßige Komponenten entwerfen und konstruieren.