Перейти к содержимому

Как печатать запасные части и различные детали на 3D-принтере

Запасные части и сменные детали крайне важны как для производственных предприятий, так и для потребителей, чтобы исключить простои оборудования и снижение производительности, когда неисправное оборудование требует ремонта или восстановления. Чтобы иметь доступ к важнейшим запасным частям и обеспечить их поставку, компаниям приходится поддерживать дорогостоящие запасы и ориентироваться в динамичных цепочках поставок.

Но что произойдет, если поставщик прекратит свою деятельность или сроки поставки затянутся?

3D-печать запасных и сменных деталей все чаще становится мощным решением для устранения сбоев в цепи поставок и обеспечения доступности запасных частей. 3D-принтеры теперь могут использоваться для создания любых деталей - от запасных частей "сделай сам" для клиентов до временных и даже долговечных запасных частей, которые могут заменить детали, изготовленные с помощью традиционных инструментов, что позволяет производителям заменить большие запасы производством запчастей по требованию.  

В данной статье описаны шаги по цифровому изготовлению запчастей с помощью аддитивного производства, помощь в выборе правильной технологии и демонстрация реальных примеров.

Шаг за шагом: 3D-печать запасных и сменных деталей

  1. Проверка на целесообразность 

Запасные части функционируют в системе, и для того, чтобы обеспечить правильную работу напечатанных на 3D-принтере запасных частей, сначала необходимо рассмотреть технические требования к детали, такие как геометрия, предполагаемое использование и механические нагрузки. Давайте рассмотрим некоторые из этих критериев:

  • Геометрия: 3D-принтеры предлагают практически неограниченную свободу проектирования, поэтому велика вероятность того, что все, что изготавливается с помощью традиционных инструментов, может быть также напечатано на 3D-принтере. Некоторые изменения в конструкции могут быть рекомендованы для оптимизации с целью снижения стоимости, повышения скорости или прочности.
  • Размер: Деталь должна списываться рабочую камеру 3D-принтера, которая обычно составляет около 15-30 см. В качестве альтернативы можно создать несколько деталей для дальнейшей сборки более масштабной модели.
  • Материал: 3D-принтеры могут заменить большинство пластиковых и даже металлических деталей. Найдите материал, который наиболее близок по свойствам к материалу, использованному для изготовления оригинальных деталей.
  • Нагрузки: Учитывайте нагрузки и воздействия, которые будет испытывать заменяемая деталь. Выбирайте более современные технологии 3D-печати и инженерные материалы для долговечных деталей.

Даже если напечатанные запасные части не полностью соответствуют всем критериям, они часто могут служить в качестве временной замены для устранения простоев оборудования. В этом случае напечатанный запасной компонент, обеспечивающий надлежащую функциональность, но ограниченный по долговечности, используется до тех пор, пока не появится долговечная замена.

  1. Получение 3D-модели

Как только вы подтвердите, что деталь может быть напечатана, вам необходимо получить 3D-модель. Если запасная часть предназначена для вашего собственного продукта и была разработана с помощью программного обеспечения CAD, то цифровой файл должен быть легко доступен. Для инструментов сторонних производителей некоторые производители предлагают оригинальные CAD-модели запасных частей. 

Если дизайн отсутствует, создайте его в программе CAD самостоятельно или закажите его в службе проектирования. Для деталей с простой конструкцией это можно сделать на основе ручных измерений, но для более сложных конструкций реверс-инжиниринг с 3D-сканированием является мощным рабочим процессом для проектирования и производства копий деталей. 

Реверс-инжиниринг включает в себя использование 3D-сканера для захвата сетки, необходимой для создания 3D-моделей.

3. 3D-печать запасных частей

Подготовьте CAD-модель к 3D-печати с помощью программы подготовки к печати и отправьте ее на 3D-принтер. Выбор правильной технологии и материала имеет решающее значение.

Напечатанные детали обычно требуют определенной пост-обработки, например, промывки, удаления порошка, удаления поддержек, пост-отверждения или шлифовки. Затем детали могут быть использованы непосредственно или подвергнуты дополнительной обработке для конкретного применения путем сглаживания, окраски, нанесения покрытий и т.д.

4. Испытания и итерации

Как только запасная часть будет готова, проведите испытания, чтобы убедиться, что она функционирует так, как задумано. Если испытания выявят недостатки, 3D-печать позволит легко провести итерации конструкции для улучшения характеристик.

Глубина тестирования должна зависеть от конкретного случая использования. Для временных запасных частей достаточно, если они будут работать по назначению в течение ограниченного времени, но производители, которые намерены использовать напечатанные запасные части в качестве замены традиционных деталей, должны подвергать новые детали тем же циклам испытаний, что и их предшественники, учитывая при этом специфические особенности процесса 3D-печати, например, разницу в прочности в зависимости от ориентации.

Выбор правильной технологии и материала для 3D-печати сменных деталей

3D-печать повсеместно используется для создания прототипов и разработки продуктов уже несколько десятилетий. Теперь эта развивающаяся технология начинает широко использоваться в производстве. В процессе разработки продукции производители уже используют гибкость 3D-печати для производства внутренних инструментов, таких как оснастка, приспособления и другие вспомогательные средства производства, или даже быстрой оснастки, такой как формы для литья под давлением или термоформования. 

Последние достижения в области оборудования, материалов и программного обеспечения открывают возможности для производства высокоточных, функциональных напечатанных деталей, которые могут использоваться в качестве конечных, включая долговечные запасные и сменные части.

3D-принтеры чаще всего используются для производства пластиковых деталей, также доступны 3D-принтеры по металлу, но они стоят значительно дороже. Существует множество различных типов 3D-принтеров, наиболее распространенными процессами для производства пластиковых деталей являются FDM, SLA и SLS.

 

Вот краткое сравнение этих процессов, доступных материалов и идеальных применений в отношении запасных частей:

В то время как большинство традиционных производственных процессов требуют дорогостоящего промышленного оборудования, специальных помещений и квалифицированных операторов, 3D-печать позволяет производить продукцию на собственном производстве с минимальными накладными расходами и минимальной инфраструктурой. Компактные настольные системы 3D-печати для создания пластиковых деталей вполне доступны по цене и не требуют много места и специальных навыков.

Аутсорсинг может быть вариантом для замены деталей, которые не являются срочными, но это часто сопряжено с теми же проблемами, что и складирование физических запасов запасных частей. Сроки поставки могут составлять несколько недель по сравнению с менее чем 24 часами для большинства напечатанных деталей, что увеличивает вероятность длительного простоя оборудования и снижения производительности.

Цифровое изготовление запасных частей

Для производителей цифровизация управления запасами деталей и производства запасных частей дает возможность устранить некоторые из традиционных проблем, таких как проблемы цепочки поставок, минимальные объемы заказов и отходы из-за устаревших деталей.

Создание цифрового склада - это экономически эффективный способ снижения затрат на управление запасами. Сопряжение этой системы с собственным инструментом цифрового производства, таким как 3D-печать, поддерживает стратегии производства по требованию и позволяет производителям снизить затраты и время выполнения заказа, повысить отказоустойчивость и сократить время простоя.

Цифровой склад или склад запасных частей используется для хранения проектов, систематической классификации компонентов, оптимизации спецификаций материалов и управления запасами. 3D-принтеры и другие инструменты цифрового производства могут затем использоваться для производства запасных частей для пополнения физического запаса или замены деталей при необходимости.

Тематические исследования: как компании используют 3D-печать для изготовления сменных деталей

Сменные детали - одно из самых распространенных применений 3D-печати. Давайте рассмотрим несколько реальных примеров от клиентов Formlabs, начиная с 3D-печати запасных частей для автомобильной промышленности и заканчивая индивидуальными захватами для роботов.

Компания Ringbrothers, удостоенная награды за изготовление автомобилей на заказ, изначально использовала SLA 3D-печать в качестве инструмента для создания прототипов, чтобы быстрее и экономичнее выполнять итерации. После внедрения технологии они нашли способы использовать 3D-печать для повышения качества и креативности своей работы с деталями конечного использования, включая запасные части для классических автомобилей.

Для проекта над зеркалом команда использовала напечатанные детали в качестве части окончательной сборки; деталь выступала в качестве постоянного сборочного приспособления, закрепленного внутри карбоновой оболочки, к которой прикручиваются дополнительные детали. В другом случае команда использовала литьевой материал для создания металлической эмблемы для индивидуального проекта автомобиля. 

"Детализация следующего уровня была бы невозможна, если бы мы не смогли напечатать восковую эмблему и не попросили местного ювелира отлить ее", - говорит специалист по разработке продукции Мэтт Моузман.

Ashley Furniture, крупнейший в мире производитель мебели, внедряет новые технологии на своих фабриках, от 3D-печати до робототехники. На фабрике Ashley Furniture в Аркадии, штат Висконсин, 700 напечатанных деталей работают наравне с промышленными роботами и фрезерными станками с ЧПУ, от сборки до изготовления.

Помимо вспомогательных средств производства, некоторые из них наиболее практичных применений - это запасные части для производственного цеха. Когда кольцо вакуумного фиксатора для сверлильного станка нельзя было купить самостоятельно, единственным вариантом было приобрести весь узел, что было дорого.

"Компания не хотела продавать только кольцо, нам пришлось бы покупать всю установку за 700 долларов", - говорит инженер-технолог Брайан Конкель. "Вместо этого мы смогли провести 3D-сканирование детали, чтобы определить ее геометрию, и напечатать запасную деталь за 1 доллар, чтобы поддерживать работу нашего бурового оборудования, не покупая весь узел".

Вместо того, чтобы покупать полностью новый сборочный блок за 700 долларов, компания напечатала на 3D-принтере деталь, которую нужно было заменить, всего за 1 доллар.

Productive Plastics - это ведущая контрактная производственная компания, специализирующаяся на производстве термоформованных пластмассовых деталей на заказ и предоставлении услуг по проектированию. Компания располагает шестью производственными участками, что позволяет одновременно выполнять несколько проектов. Каждая ячейка оснащена промышленным термоформовочным станком, фрезерным станком с ЧПУ, сборочным участком и компьютерной системой для организации и контроля операций. 

Когда сломался охлаждающий вентилятор одной из машин, термоформер стал просто непригоден для использования, что привело к остановке всей рабочей ячейки. Срок получения запасной детали от поставщика составлял от шести до восьми недель. Чтобы обеспечить работу цеха в ожидании ремонта, они напечатали на 3D-принтере запасную деталь для крыльчатки.

Они разработали два варианта замены крыльчатки в Solidworks, а затем напечатали их на SLS 3D-принтере Fuse 1 за одну ночь, используя Nylon 12. SLS 3D-печать позволила создать двухстороннюю конструкцию с центральным отверстием - без необходимости удаления поддержек или пост-обработки крыльчатка была сразу готова к установке.

Запасная часть крыльчатки в Solidworks.

"При использовании многих других методов печати было бы трудно выполнить заднюю сторону крыльчатки, в частности, ребра и центральное отверстие, которые являются элементами литья под давлением. Одна из причин, по которой мы выбрали Fuse 1, заключается в том, что нам не нужно использовать поддержки. Эта деталь действительно подчеркивает силу Fuse 1 для печати сложных геометрических форм", - сказал Кайл Дэвидсон, директор по продажам и маркетингу компании Productive Plastics.

Крупный план (справа) и увеличенный вид (слева) напечатанной крыльчатки, которая органично вписывается в промышленный термоформовочный вакуумный насос.

Крыльчатка заработала сразу же, вернув ячейку к работе на следующий день после поломки, и она работала как положено, пока команда не заменила ее на деталь поставщика примерно через 6 недель. 

В компании Productive Plastics время цикла одной производственной ячейки составляет от 5 до 15 минут, что приводит к минимальному объему производства 40 деталей в день для одной рабочей ячейки. 6 недель простоя оборудования принесли бы убытки в размере более 1200 деталей и $30 000 - при усреднении стоимости одной детали до $25.

Исследователи из центра композитов AMRC изучали возможности автоматизации перемещения слоев углеродного волокна с высокой точностью и скоростью с помощью робота-комплектовщика. Однако после длительного использования L-образные кронштейны, на которых держались захваты для сжатого воздуха робота, начали изгибаться в местах соединения, что привело к поломкам. Используя 3D-печать, исследователи смогли быстро разработать новое решение - индивидуальный пружинящий компонент со сложной конструкцией, который невозможно было изготовить с помощью традиционных инструментов.

"Я сделал пять итераций набора из шести захватов, на изготовление которых могло бы уйти 10-15 недель, и это еще без проведения испытаний", - сказал Мэтью Уильямс, техник по композитным материалам, работающий над проектом.

Поставщик инженерных услуг STS Technical Group также использовал SLA 3D-печать для замены типовых роботизированных захватов на напечатанные, превосходящие их по производительности. Команда разработала пользовательские захваты для перемещения и позиционирования топливных форсунок в производственных условиях. 

Переход от стальных механически обработанных захватов к напечатанным полимерным захватам позволил снизить риск появления царапин на поверхности более мягких деталей. Более того, переход от общей V-образной формы к геометрии, соответствующей топливной форсунке, улучшил контакт захвата для повышения точности и надежности, а также снизил давление, необходимое в процессе работы.

Типовые захваты, которые изначально были установлены на пневматическом цилиндре (вверху). Пневматический цилиндр в сборе; в комплекте с напечатанными захватами из смолы Rigid 4000 Resin, удерживающими топливную форсунку (внизу).

Машиностроительный цех A&M Tool and Design расширил масштабы использования 3D-печати для производства функциональных деталей, таких как приспособления и несколько деталей конечного использования. Например, когда за два дня до начала крупной выставки муфта для одного из больших станков для полировки линз была доставлена не того размера, инженер-механик Райан Литтл быстро разработал и напечатал на SLA 3D-принтере замену правильного размера. Напечатанная муфта была использована для привода двухсильного двигателя на шлифовальном станке.

Когда аутсорсинговая муфта для станка для полировки линз пришла не того размера, компания A&M Tool and Design 3D напечатала замену из материала Durable Resin для быстрого ремонта перед большой выставкой.

Законна ли 3D-печать запасных частей?

В целом да, но это зависит от конкретного случая. Обратное проектирование, как правило, законно, и производители могут создавать запасные части на 3D-принтере с использованием собственных разработок, не нарушая закон о коммерческой тайне.

Если производитель намерен печатать запасные части в коммерческих целях, он может быть привлечен к ответственности в соответствии с действующим законодательством и может иметь обязательства по поставке конструкций или товаров, отвечающих определенным требованиям безопасности и качества в соответствии с контрактами.

Обширное исследование правительства Великобритании о правовых требованиях и обязательствах, связанных с 3D-печатью запасных частей, дает отличное представление о законности этого процесса. В исследовании рассматривалось производство как запасных, так и сменных деталей наряду с юридическими требованиями на каждом этапе производственного цикла в США, Великобритании, ЕС, Канаде, Японии и Китае.

Начните с 3D-печати сменных деталей и запасных частей

3D-печать запасных частей и деталей своими силами - это доступный, быстрый и эффективный способ устранить простои и потерю производительности. Formlabs предлагает передовые SLA и SLS 3D-принтеры и материалы промышленного класса. 

Предыдущая статья 3D-принтеры для большой печати: сравнение UltiMaker S5 и BCN3D Epsilon W27