Kā integrēt MIM masveida ražošanā sarežģītu mazo detaļu ražošanai kopā ar AM.

Ja pēdējā laikā esat pavadijuši kādu laiku ražošanas telpās, jūs, visticamāk, esat pamanījuši, ka robeža starp prototipēšanu un pilnmērogu ražošanu ik dienu kļūst aizvien neskaidrāka. Pievienojošā ražošana agrāk bija populārs risinājums viena parauga prototipu vai ļoti sarežģītu ģeometriju izgatavošanai, ko neviens CNC apstrādes centrs nevarēja apstrādāt. Tomēr, kad saruna pāriet no desmit detaļu ražošanas uz desmit tūkstošu detaļu ražošanu, matemātiskie aprēķini strauji mainās. Tieši šajā punktā daudzi inženieri saskaras ar šķērsli. Viņiem patīk dizaina brīvība, ko piedāvā metālu 3D drukāšana — piemēram, titāna vai nerūsējošā tērauda —, bet viņiem nepieciešamas tradicionālās rīkošanas metodes priekšrocības: zemākas vienas detaļas izmaksas un īsāki cikla laiki. Slepenība, uz kuru pašlaik balstās daudzas augstas veiktspējas nozares, nav izvēle starp vienu vai otru tehnoloģiju. Tā ir gudra hibrīda darba plūsma, kas iekļauj MIM (metāla injekcijas liešanu) vienā un tajā pašā sarunā kopā ar pievienojošo ražošanu.

Mazām, sarežģītām sastāvdaļām, piemēram, pulksteņu apvalkiem, ķirurģiskajiem instrumentiem vai pat tiem mazajiem bloķēšanas sviru mehānismiem salokāmajos naziņos, ģeometrija bieži vien ir pārāk sarežģīta lētai apstrādei, bet ražošanas apjoms — pārāk liels, lai pulvera slāņa lasera izkausēšana būtu ekonomiski izdevīga. Tieši šis ir tas ideālais pielietojuma jeb „saldās vietas” gadījums, kur MIM un AM integrācija pārstāj būt teorija un kļūst par nopietnu konkurences priekšrocību. Tas ļauj izmantot 3D drukāšanu, lai veiktu sarežģīto darbu — dizaina iterāciju un validāciju, — un pēc tam pārslēgties uz MIM, lai veiktu patieso ražošanas apjomu. Teorijā tas izklausās vienkārši, taču gluda īstenošana prasa dziļu izpratni par katras tehnoloģijas potenciālajām problēmām.

Būtiskā atšķirība sarukumā un mērogā

Ļaujiet man uzreiz izteikt vienu lietu skaidri: metāla injekcijas liešana ir procesa, kurā tiek kontrolēta sarukšana. Jūs sajaucat ļoti smalku metāla pulveri ar saistvielu sistēmu, ielejat to veidnē, kuras izmēri ir lielāki nekā gala produkta izmēri, un pēc tam ilgu laiku un augstā temperatūrā noņemat šo saistvielu, pirms metālu sasildāt līdz pilnai blīvumam. Produkts, kas iznāk no apdedzināšanas krāsns, ir ievērojami mazāks nekā tas, kas tajā iegāja. Patiesībā tas parasti sarūk lineāri par aptuveni 15–20 procentiem. Ja jūs esat inženieris, kurš pieradis pie gandrīz precīzās formas precizitātes, ko nodrošina laserspuldzes pulvera guļvieta (laser powder bed fusion) mašīna, tad šāda sarukšanas pakāpe var likties kā vudū māģija. Savukārt pievienojošā ražošana jums dod produktu, kas ir diezgan tuvu CAD failam tieši no būves plātnes, iespējams, ar nelielu izvirzīšanos no paliekošās sprieguma, bet nekas līdzīgs šim milzīgajam tilpuma mainīgumam.

Šeit integrācija kļūst sarežģīta. Jūs nevarat vienkārši paņemt AM optimizētu dizaina failu un nosūtīt to MIM nodaļai. Tas skaistais, vieglais topoloģiski optimizētais stiprinājums ar visām tām organiskajām, plūstošajām līknēm? Tas var būt īsts mokas cēlonis, izņemot to no formas. Apakšgriezumi, kas 3D drukāšanā ir viegli risināmi, jo atbalsta struktūras vienkārši tiek izšķīdinātas, formēšanas rīkā kļūst par dārgām sānu darbībām vai slīdēm. Kad projektējat šai divkāršajai stratēģijai, jums jātur viena acs uz lasers tehnoloģijas brīvību, bet otra acs — uz formas sadalīšanās līniju. Veiksmīgākās integrācijas AM daļu uzskata par funkcionālo prototipu, kas pierāda konceptu, pēc tam komanda kopā pielāgo šo ģeometriju īpaši formējamībai, nezaudējot kritiskās funkcionālās virsmas. Būtībā jūs pārtulkojat failu no pievienošanas ražošanas valodas uz ielejamas ražošanas valodu.

Kāpēc sākt ar pievienošanas ražošanu, ja galīgais mērķis ir ielejama ražošana?

Tas var šķist kā papildu solis. Kāpēc vienkārši neizgatavot MIM rīku un neuzsākt darbu? Atbilde gandrīz vienmēr saistīta ar izstrādes ātrumu un kļūdas izmaksām. MIM rīks ir precīzi izgatavots tērauda izstrādājums, kura cena viegli var sasniegt desmitus tūkstošus dolāru, un tā izgatavošana un paraugu iegūšana var aizņemt astoņas līdz divpadsmit nedēļas. Ja jūs ievietojat šo rīku presē un pēc tam atklājat, ka sprauga savienojuma elements ir nedaudz pārāk trausls vai ka sienas biezums rada iedobumu pretī ribai, jums būs jāveic ļoti dārgs un ļoti lēns pielāgošanas process. Šāds grafiks vienkārši nav pieņemams medicīnas ierīču izstrādē vai patēriņa elektronikā.

Ieviešot pievienojošo ražošanu jau attīstības cikla sākumā, īpaši izmantojot materiālus, kas atbilst MIM izejvielām, var ātri un bieži veikt projektēšanas iterācijas. Var izdrukāt desmit dažādas locītavas ģeometrijas variācijas vienā nedēļā, izmantojot to pašu metāla pulvera sastāvu, ko vēlāk izmantos MIM procesā. Var pārbaudīt taktilo sajūtu, atvienošanas momentu un izturību pret rievošanos, neizmantojot vispār formas pamatu. Kad dizains ir apstiprināts un validācijas testēšana ir pabeigta, tad tiek uzsākta rīku izgatavošana. Tas ir īpaši svarīgi materiāliem, kas ir populāri abās jomās, piemēram, 17–4PH nerūsējošajā tēraudā vai zemā leģētajos tēraudos. Jūs ne tikai uzminat, ka detaļa darbosies metālā. Jūs to pierādat ar reālu metāla detaļu jau daudz agrāk, nekā ražošanas līnija ir gatava.

Tas ir šāda veida darba plūsma, ar kuru regulāri tiek saskarē uzņēmumi, kas koncentrējas uz sarežģītiem maziem komponentiem, piemēram, Kyhe Tech. Viņi saprot, ka virsmas apdare un pieļaujamās novirzes robežas starp abām procesa metodēm atšķiras. Detaļa, kas izskatās un sajūtama kā ideāla, iznākot no 3D printerī, var prasīt nelielu izvilkuma leņķa pielāgojumu, lai efektīvi atdalītos no formas. Šo procesu integrācija nozīmē, ka jūs projektējat detaļu divreiz — vienreiz prototipa izgatavošanai un otrreiz miljoniem vienību ražošanai.

Ātra AM un MIM salīdzināšana ražošanā

Kad jūs cenšaties izlemt, vai detaļu turpināt ražot pievienojošajā ražošanā vai pārcelt uz metāla injekcijas liešanu, palīdz skatīt skaitļus blakus blakus. Zemāk esošajā tabulā sniegts praktisks salīdzinājums starp abām metodēm tipiskai mazu metāla komponentu ražošanas partijai. Ņemiet vērā, ka šie ir vispārīgi norādījumi un precīzie skaitļi mainīsies atkarībā no ģeometrijas sarežģītības un konkrētā sakausējuma.

Skatoties šo, stratēģiskā pārklāšanās kļūst acīmredzama. Pievienotā ražošana uzvar sacensībās par ātrumu tirgū un sarežģītām iekšējām funkcijām. MIM uzvar sacensībās par vienības ekonomiku, kad sākas lielapjoma ražošana un dizains ir noslēgts. Gudrākās ražošanas stratēģijas šos divus stabiņus neuzskata par konkurentiem, bet gan par dažādām zobrata pārnesumkārbas ātrumu pārslēgšanas pozīcijām. Jūs pārslēdzat starp tām atkarībā no tā, kurā posmā atrodaties produkta dzīves ciklā.

Precīza toleranču noteikšana lielapjoma MIM ražošanai

Tolerances ir vārds, kas iedzen bailes jaunajos konstruktors, kuriem nav pieredzes metāla injekcijas liešanā. Pievienojošajā ražošanā parasti var ievērot precizitāti plus vai mīnus daži tūkstošdaļas collas uz labi kalibrētas mašīnas, taču šo detaļu veido slānis pēc slāņa, kas prasa laiku un naudu. MIM procesā, kad rīks ir precīzi iestatīts un sinterēšanas krāsns ir pareizi profilēta, var ievērot ļoti stingras tolerances — bieži vien plus vai mīnus puse procenta no izmēra — vismaz simtiem tūkstošu ciklu laikā, un katras detaļas izmaksas ir centi. Tomēr šādas precizitātes sasniegšanai nepieciešama dziļa izpratne par to, kā detaļa deformējas atdalīšanas un sinterēšanas laikā.

Ja jūs ieviešat AM dizainu MIM procesā, jums absolūti jāveic sinterēšanas simulācija. Šīs programmatūras rīku palīdzībā, izmantojot zaļās daļas ģeometriju, paredz, kur daļa deformēsies vai izkropļosies termiskā cikla laikā. Tas ir neizbēgams nosacījums sarežģītām ģeometrijām. Piemēram, jums var būt neliels medicīniskais skavu elements, kas izskatās perfekts CAD failā, taču, sarūkoties par 15 %, nevienmērīgā masas sadalījuma dēļ kājas izlieksies iekšā vai ārā. Risinājums bieži ir pievienot tā sauktos „setterus” — speciāli izgatavotus keramikas stiprinājumus, kas tur daļu noteiktā pozīcijā sinterēšanas laikā. Tomēr šie stiprinājumi izraisa izmaksas un aizņem vietu krāsnī. Labāka pieeja ir izmantot iegūtās zināšanas no AM prototipu testēšanas, lai noteiktu, kur var pievienot vai noņemt nelielu apļveida ieliekumu vai ribu, lai daļa pati sevi saglabātu pareizā formā sarūkšanas laikā. Tas ir smalks masas līdzsvara mākslas veids — problēma, kas reti rodas AM daļām, kas atrodas stingrā būves plātnē.

Postapstrādes faktors, par kuru neviens nerunā

Ir ļoti liela nepareiza uzskats, ka, kad MIM detaļa iznāk no sinterēšanas krāsns, tā ir gatava nosūtīšanai. Tas ir ļoti tālu no patiesības, īpaši tad, ja runa ir par komponentiem, kas savienojas ar citiem precīziem mehānismiem. MIM detaļām ir vārtu atliekas, tām ir šķēluma līnijas uzraušana un virsmas apdare, kas, lai gan ir labāka nekā liešanas metāla virsma, tomēr var vajadzēt papildu apstrādi. Tieši šajā punktā pievienotās ražošanas domāšanas veids sācis pozitīvā veidā ietekmēt arī MIM pasauli.

Pievienojošajā ražošanā mēs esam kļuvuši ļoti pieraduši pie domas, ka detaļa nav pabeigta tad, kad lāzers tiek izslēgts. Ir postapstrādes rinda, kurā ietilpst termiskā apstrāde, atbalsta elementu noņemšana un virsmas apstrāde, piemēram, ar lodīšu smilšstrāvi vai rotējošā traukā. MIM procesā nepieciešams līdzīgs rūpīguma līmenis, taču daudz lielākā apjomā. Jūs neveicat virsmas apstrādi ar rotējošā traukā vienai desmitdetaļu tāfelītei, bet gan desmit tūkstošiem detaļu lielā bungā. Pakalpojumu sniedzēji, kuri izceļas, integrējot šīs tehnoloģijas, piemēram, KYHE TECH , ir ieguldījuši lielas summas automatizētās pēcapstrādes līnijās, kas spēj apstrādāt šādu ražošanas apjomu, nezaudējot mazas sarežģītas detaļas delikātos elementus. Ja jūs izstrādājat elementu, kas ir pārāk trausls, lai izturētu augstas enerģijas centrifrūgālo barreļa apstrādi, jūs būtībā esat izstrādājis detaļu, ko nevar rentabli masveidā ražot. AM un MIM integrācija nozīmē saprast detaļas ceļu līdz pat galīgajai pārbaudes tvertnē — vai nu tas ietver CMM pārbaudi vienam prototipam, vai optisko klasifikācijas sistēmu nepārtrauktai ražošanas vienību plūsmai.

Projektēšana abām pasaulēm vienlaicīgi, nezaudējot prātu

Tātad kā jūs patiesībā apsēžaties un projektējat detaļu, ko var ātri izgatavot prototipā ar pievienojošo ražošanu un pēc tam bez šķēršļiem pāriet uz metāla pulvera injekcijas molding (MIM) ražošanu? Slepenība ir jau pašā sākumā iebūvēt noteikumu kopumu savā CAD procesā. Jums vajadzētu izvairīties no dziļām, šaurām caurumām, kurus MIM rīku veidošanā ir grūti notīrīt. Jums vajadzētu saglabāt salīdzinoši vienmērīgu sienas biezumu, lai novērstu izkropļojumus sinterēšanas sarukuma laikā. Tieši šāda veida lietas pievienojošā ražošana pielāgo daudz labāk nekā MIM.

Tomēr ir arī krusteniskas priekšrocības. Pievienošanas ražošanas principiem paredzētā dizaina pieeja, kas uzsvēr vajadzību izvairīties no asiem stūriem un lielām masas koncentrācijām, patiesībā ideāli saskan ar labākajām MIM (metāla pulvera injekcijas liešanas) dizaina praksēm. Detaļa, kuras forma ir optimizēta, lai samazinātu masu, visticamāk arī vienmērīgāk sakarsēsies, jo jau esat novērsis biezos, smagos sektorus, kas rada termisko palaišanu. Ja varat izstrādāt detaļu, kas izmanto organisku režģi vai gudru dobu struktūru svara samazināšanai, tad tā pati detaļa, pārveidota MIM veidnē, patērēs mazāk materiāla, izmaksās mazāk par pulveri un saruks prognozējamāk. Tas ir brīnišķīgs atgriezeniskās saites cikls. Izmantojiet pievienošanas ražošanu, lai atrastu ideālo formu. Izmantojiet šo formu, lai izveidotu MIM detaļu, kas ir vieglāka un izmaksā mazāk nekā jebkura cita detaļa, ko jūsu konkurenti ražo, izmantojot tradicionālo apstrādi. Tas nav par to, ka pievienošanas ražošana aizstāj MIM vai otrādi. Tas ir par to, lai izmantotu vispiemērotāko rīku katrā produktu dzīvescikla posmā un nodrošinātu, ka jūsu dizaini vienlīdz labi pārzina abas valodas.

Kur šis hibrīdais pieejas veids spīd spožākais

Ja aplūkojat produktus, kas vissvērtīgāk izmanto šo divkāršo pieeju, tie gandrīz vienmēr ir mazi, sarežģīti un augstas vērtības. Iedomājieties mikro zobratus ķirurģiskajā skavotājā. Pirmos tūkstošus vienību var izgatavot ar lāzera pulvera gultnes iekārtu, kamēr ķirurģiskā komanda pārbauda ergonomiku un izšaušanas secību. Šajā laikā tiek izgatavota MIM veidne. Kad dizains ir galīgi apstiprināts, ražošanas līnija pārslēdzas un sāk ražot desmitiem tūkstošu šo zobratu mēnesī par daļu no AM ražošanas izmaksām. Pacients vai ķirurgs nekad nezina par šo atšķirību, taču uzņēmuma peļņa noteikti to sajūt.

Šī stratēģija arī spēlē ļoti lielu lomu ilgtspējīgā attīstībā, kas modernajā ražošanā kļūst arvien neatliekama. MIM izejvielu izmantošana ir ārkārtīgi augsta salīdzinājumā ar atņemamo apstrādi, bieži pārsniedzot deviņdesmit piecus procentus. Kad to apvieno ar faktu, ka pievienojošā ražošana izmanto tikai to pulveri, kas nepieciešams konkrētajai ģeometrijai, rodas ražošanas ekosistēma, kas rada ļoti maz atkritumu. Tas ir atbildīgs veids, kā ražot preces, un tieši šajā virzienā rūpniecība virzās uz priekšu. Spēja vienlaikus izmantot gan 3D drukas digitālo elastību, gan metāla injekcijas liešanas ekonomisko efektivitāti, atdala inovatorus no pārējās konkurences. Tas nozīmē, ka jūs nekad neesat iestrēguši. Jūs vienmēr varat atrast piemērotāko rīku atbilstošam ražošanas apjomam.