3D-Druck-Frässchraubstockbacken

Das Problem bei der heutigen Bearbeitung ist einfach:Sie ist teuer und nimmt zu viel Zeit in Anspruch. Zeit von einem erfahrenen Bediener. Zeit auf einer teuren Maschine. Zeit zum Einrichten. Zeit, einen Teil in die Hand zu nehmen.

Dieses Problem wird äußerst schmerzhaft, wenn es um die Bearbeitung von Sonderwerkzeugen geht – die Herstellung von Vorrichtungen, Vorrichtungen, Formen und Mustern. Der Werkzeugbau ist traditionell einer der zeitaufwendigsten und teuersten Teile des Bearbeitungsprozesses. Warum ist das Werkzeug noch einmal so schmerzhaft?

Es ist zeitaufwendig und teuer.

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Zeitaufwendig

Der typische Prozess, um einen Satz kundenspezifischer Fräsbacken in die Hand zu bekommen, ist:

Backen in Computer-Aided-Design-Software (CAD) konstruieren

1. Entwurf einer Blaupause/Zeichnung von Kiefern in CAD

2. Design der Backen genehmigen

3. CNC programmieren

4. Backen auf CNC planen

5. Maschinenbacken auf CNC

6. Warte...

7. Backen liefern

Bis zur Auslieferung der Backen haben es dabei bis zu fünf verschiedene Personen berührt. Ein Konstrukteur, der die Backen konstruiert. Ein Manager, der die Blaupause/Zeichnung abzeichnet. Ein Programmierer zum Programmieren der CNC. Ein erfahrener Maschinist, um die Backen zu bearbeiten.

Was passiert nun, wenn der Teil, den die Backen halten sollen, von Rev 1 bis Rev 2 und schließlich bis Rev 3 wiederholt wird? Jede Revision führt zu einer Revision an den Kiefern und der gesamte Prozess beginnt erneut mit Schritt eins.

Teuer

Bei geringen Produktionsmengen verweigern die Hersteller entweder die Produktion oder berechnen einen Aufschlag pro Stückkosten. Das inhärente Problem mit Werkzeugen besteht darin, dass sie keine Einnahmen generieren. Die Kosten für einen Hersteller für die Bearbeitung eines Satzes von Fräsbacken auf einer CNC sind beispielsweise Maschinenstillstandszeit, Arbeit und Gemeinkosten. Die Bearbeitung von Fräsbacken trägt nicht zum Gewinn eines Herstellers bei. Wenn die Backen nie wieder verwendet werden, werden die Kosten der Backen verspielt und auf die endgültigen, seriengefertigten Fräsbacken oder die umsatzerzeugenden Endverwendungsteile verteilt, um die anfänglichen Vorlaufkosten und die nachfolgenden Iterationen auszugleichen bearbeitet wird.

Hier setzt die additive Fertigung – umgangssprachlich als 3D-Druck bezeichnet – an.

Additive Fertigung

Die additive Fertigung ermöglicht nicht nur mehr Freiheit beim Design, sondern verlagert auch die Werkzeugausstattung drastisch von zeitaufwendig und kostspielig zu praktisch und erschwinglich. Bei einmaligen Werkzeugen öffnet die additive Fertigung den Herstellern die Tür, um ihr Endergebnis zu verbessern, indem sie Ausfallzeiten, Arbeit und Gemeinkosten von CNC-Maschinen auf nur Materialkosten reduzieren. Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist der 3D-Druck von Einzelwerkzeugen im Vergleich zur konventionellen Fertigung äußerst kostengünstig.

Die additive Fertigung rationalisiert die Produktion von umsatzgenerierenden Teilen für den Endverbrauch, indem sie deren Markteinführungszeit drastisch verkürzt. Bei der additiven Fertigung können die Backen sofort nach dem Design gedruckt werden, wodurch das Paradigma der Werkzeugherstellung völlig durcheinander gebracht wird.

Vorbei sind die mühsamen Tage des Entwerfens, Entwerfens, Genehmigens, Programmierens, Planens, Bearbeitens, Prüfens und Wiederholens; Vorbei sind die Zeiten, in denen eine umsatzgenerierende CNC zur Bearbeitung eines Backensatzes verwendet wurde; Vorbei sind die Zeiten, in denen CNC-Programmierer auf die Bearbeitung eines einzigen Backensatzes programmiert haben. Je schneller die Werkzeuge verfügbar sind, desto schneller können die umsatzgenerierenden Teile für den Endverbraucher bearbeitet werden.

Lesen Sie unseren Designleitfaden für Verbundwerkstoffe

Wie man Fräsbacken in 3D druckt

Bei der Konstruktion von Fräsbacken für den 3D-Druck sind die drei Voraussetzungen das Verständnis von Fräsbackendesign, CAD und Continuous Fiber Fabrication (CFF). Die erste und zweite Voraussetzung sind selbsterklärend. Für die letzte Voraussetzung ist der 3D-Druck von Fräsbacken eine Frage der Orientierung und Verstärkung mit CFF. Also, was ist CFF?

Kontinuierliche Faserherstellung (CFF)

Additive Fertigungstechnologien der Vergangenheit drucken Thermoplaste zu schwach, um den rauen Umgebungen der CNC-Bearbeitung standzuhalten. Mit der Einführung von Continuous Fiber Fabrication (CFF) hat Markforged die additive Fertigungsindustrie durch das Drucken mit Endlosfasern (Kohlenstofffasern, Kevlar® und Glasfaser) zur Verstärkung thermoplastischer gedruckter Teile revolutioniert. Die Festigkeit der Endlosfasern ist in Abbildung 2 dargestellt.

Beispielsweise erfordert das in Fig. 3 gezeigte nadelgelagerte Werkstück einen Stirnfräsvorgang an einer seiner Stirnseiten. Die für diesen Vorgang verwendeten Fräsbacken sind in Abbildung 4 dargestellt.

Die Endlosfasern werden auf der XY-Ebene parallel zur Bauplatte gedruckt, was die Orientierung entscheidend macht! Bei der Überlegung, wie ein Satz Fräsbacken zum Drucken ausgerichtet werden soll, liegt der Schlüssel zum Erfolg darin, zu verstehen, wie der Klemmdruck auf die Backen ausgeübt wird und wie Endlosfasern verlegt werden, um dem Klemmdruck entgegenzuwirken. Zum Beispiel sind die in Abbildung 4 gezeigten Backen so konstruiert, dass sie das Werkstück für einen Planfräsvorgang spannen. Die Spanndrücke sind an den Kontaktstellen werkstückkonform. An den Berührungspunkten erfahren die Backen die Spanndrücke als Druckkraft durch Werkstück und Schraubstock, wie in Bild 5 dargestellt.

Um Endlosfasern optimal zu verlegen, um den Druckkräften entgegenzuwirken, ist es wichtig zu verstehen, dass Fasern unter Zug am stärksten sind. Wenn Sie die Fräsbacken mit Endlosfasern verstärken, führen Sie die Faser so, dass die Anzahl der Fasern maximiert werden kann. In Abbildung 6 werden Endlosfasern konzentrisch um die Außenwände des Teils herumgeführt und durch die Druckkräfte auf Zug gesetzt.

Unter Zug stehende Endlosfasern widerstehen den Druckkräften, um die Backen formstabil zu halten. Es ist wichtig zu beachten, dass die Verwendung des Schraubstocks zum Einspannen der Backen und zur Verstärkung gegen die Scherkräfte über die gedruckten Schichten eine Schlüsselrolle spielt. Maximieren Sie bei der Konstruktion der Backen den Oberflächenkontakt zum Schraubstock.

Erweiterte Fräsbacken für den 3D-Druck

Der nächste Schritt beim 3D-Druck von Fräsbacken ist die Erstellung einer modularen Fräsbacke. Anstatt beispielsweise den gesamten Kiefer wie in Abbildung 4 gezeigt zu drucken, sollten Sie einen Satz harter Kiefer als "Rohlinge" und 3D-Druck-Weichbacken als "Einsätze" verwenden. Wie in Abbildung 7 gezeigt, ist die bearbeitete Metallbacke der "Rohling", der in Violett dargestellt ist, und die 3D-gedruckte weiche Backe aus Verbundwerkstoff ist der "Insert" in Grün. Da sich die konforme Geometrie zwischen verschiedenen Werkstücken ändert, kann ein Rohling viele Wendeschneidplatten bedienen.

Obwohl CFF-Backen aufgrund der gleichen Festigkeit und der nicht beschädigenden Natur der Verbundwerkstoffe hervorragend zum Ersetzen von Aluminiumbacken geeignet sind, was passiert, wenn Stahlbacken ersetzt werden müssen? Die gleiche Idee der Modularität nutzend, kann der „Rohling“ aus Aluminium oder 3D-gedrucktem CFF hergestellt werden, während die „Einsätze“ auf dem Metal X System nach einem als Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM) bekannten Verfahren 3D-gedruckt werden. Mit der aktuellen Version von 17-4PH Edelstahl und H13 Werkzeugstahl bewahrt das Metal X System alle Vorteile des 3D-Drucks, wie konforme Geometrien, schnelle Bearbeitungszeiten und reduzierte Kosten, und erfüllt die Materialeigenschaften, die erforderlich sind, um Stahl zu ersetzen Backen.

Als Übergang von Werkzeugregalen zu einer schnellen, austauschbaren Lösung ist die modulare Fräsbacke die Zukunft der Fertigung. Die additive Fertigung verlagert die Fertigungswerkzeuge weiter von zeitaufwändigen und kostspieligen zu noch handlicheren und erschwinglicheren.

Wie man am besten 3D-Druck-Schraubstockbacken druckt

3D-Druck-Frässchraubstockbacken sind kein Hexenwerk, aber es erfordert ein grundlegendes Verständnis von Frässchraubstock-Design, CAD und CFF. Die wichtigsten Schritte, die Sie sich merken sollten, sind:

(1) Bestimmen Sie die Spanndrücke an den Frässpannbacken zwischen Werkstück und Schraubstock;

(2) eine Druckorientierung wählen, die Fasern in Spannung gegen Klemmdruck maximiert; und

(3) mit Endlosfasern unter Spannung verstärken.

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