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2019.05.14

3D打印如何在顶尖科研中心服务百余位工程师

英国谢菲尔德大学的先进制造研中心 (Advanced Manufacturing Research Center) 在机械加工、生产制造及材料开发方面都引导着很多世界一流的研发项目。这些项目的成果已助力超过100家不同大小的企业获得新的突破,包括波音公司、劳斯莱斯、BAE Systems、空客等著名企业。这些企业往往会带着非常明确且刁钻的技术问题来到 AMRC 尝试具有创新性的解决方案,然后研发团队会尝试应用最新的技术和工作流程来开发对应的概念并测试可行性,最终应用到企业的生产或研发流程中。

英国谢菲尔大学AMRC园区

AMRC的目标是探索不同顶尖新型技术并提高它们的应用范围,从而加速创新。近期,团队采购了12台光固化3D打印机 Form 2, 并建立了一个 "3D打印站",供整个研发团队使用。数周内打印站已达到满负荷状态,打印件出现在数百个项目中。

"这样一批打印机显著地提高了我们的运作效率,现在可以说我们随时随刻都有上百个项目应用着3D打印,服务着上百位工程师。在工程师们拥有内部3D打印后,制造部件的时间已从一周半的时间缩减到几小时。"AMRC增材制造技术总监马克·可英说。

马克将12台 Form 2 分成两排放置在铁架上,并配置了数台 Form Cure 及 Form Wash 用于清洗及后处理。铁架侧面设置了构建平台、安防工具、使用说明、风险评估工具及一个打印件的过渡存放区。

3D打印站由一个技术人员管理和维护。技术人员通过 Dashboard 监控每个打印机的打印状态及树脂使用情况。这样,整个研发中心的工程师们即可随时安排打印任务,唯一需要做的就是按 "开始打印" 键。

AMRC内部

研发中心的所有工作人员都可报名3D打印培训课程,通常只需45分钟到1个小时即可完成。完成时,工程师们基本上已经成功打印了他们的第一个打印件。

通过口头传播的知识分享是最呈现有机增长的。受过培训的工程师们常常会立即开始使用3D打印机并把他们的作品带回所属部门,用于证明不同概念模型、原型或直接组装到机器当中。

AMRC 3D打印站

AMRC的3D打印应用案例

1、钻孔盖帽

通过利用3D打印站,团队与空客公司 (Airbus) 合作的研发项目在48小时内完成了500个钻孔盖帽的打印,成功避免了交叉污染。

2、机械臂支架

工程师在尝试不同材料后,使用Formlabs Durable Resin材料打印的改良支架,使机械手臂能在自动化生产流程中持久地完成复合材料的抓取工作。

3、温度感应器固定装置

在核能行业中的一个自动化焊接项目中,研发人员3D打印了一批能在高温环境作业的垫圈、支架及感应器固定装置。

4、丝材滚轮

负责复合材料的研究员为纤维缠绕机制作了一组定制化滚轮。该机器生产用于航空航天项目中的不同密封软管,滚轮部件是一个持续传输碳纤维或玻璃纤维等丝材的关键部件。

48小时,500个部件

Factory 2050

AMRC的首栋建筑"工厂2050"(Factory 2050),耗资四千三百万英镑建造。在此工厂中工作的是一个称作集成制造组(Integrated Manufacturing Group)的团队,负责与不同行业的企业将先进的技术集中于此地并将其应用于开发集成系统。他们的重要挑战之一是确保自动化、数字辅助装配和加工技术等复杂程序能在不同环境中顺利进行。

最近,团队与欧洲最大的航空航天制造商 - 空客公司 - 开展了一个项目,主要涉及碳纤维、铝和钛金属组件的高精度钻孔和机械加工。

鉴于严格的航空航天要求,此项目试验期的一个重要目的是防止钻孔的交叉污染。但在项目开展后不久,团队成员意识到原计划的解决方案存在漏洞。而若想要通过机械加工或注塑成型更换零件,项目完成时间将延迟数周。

自动化钻孔

"钻孔过程中的一个关键要求是我们的钻孔中不能有任何污染。污染指的是在钻完一个孔后在开始钻下一个孔之前,我们需要盖住第一个孔以避免钻新孔时碎片及粉末不会污染原有的孔。当我们意识到我们需要这样的特殊钻孔盖时,我们能用在寻找解决方案上的时间已经不多了。"AMRC工程项目经理乔治·史力斯这样说道。

一开始,工程师们尝试了使用一个用O形橡胶圈环绕的铝制盖帽,但此方案的不足很快凸显出来。整个项目的进展被明显延缓,若持续下去将无法按时交付。

团队很快又尝试了新的设计:一个微小的塑料圆盘,周边切出一个凹槽,用于镶嵌O型橡胶圈。此部件有相当高的精度要求,因为切割若偏大,则橡胶会容易滑落。凹槽的公差不能超出橡胶圈厚度的一半,大约是半个毫米。

这些部件不同的尺寸在生产中也成为一个大问题。乔治说:"因为我们钻的孔不止一个大小尺寸,所以生产的钻孔盖也需要适应不同大小。从设计的角度来讲,更改一个尺寸不需要多少时间,但针对注塑成型的部件,每一个部件都需要开一个新的模。"

经过计算,研发团队需要在十天内准备500个钻孔盖。如此紧迫的时间和特殊的需求基本上排除了3D打印以外的所有生产方法。

在不确定AMRC的内部能力的情况下,乔治一开始向三家外包服务公司咨询了报价,但相比打印件给项目提供的价值,乔治认为外包服务公司报的价格远超出了合理的范围。

"我随后联系了我们负责原型设计组的同事马克·可英。我问他我们是否可能通过内部生产寻找解决方案。起初24小时内我并没有收到任何答复。正当我开始坐立不安再考虑别的解决方案时,我收到了马克的答复,而且答案让我难以置信。马克回复说 "有,而且我们已经完成了一半的生产"。

"24小时内完成250个盖帽的制造。这样的速度当时确认让我感到惊讶"。AMRC工程项目经理乔治·史力斯这样说道

Tough 韧性树脂打印的孔盖

"这不仅意味着我们更早的获取了部件并可以使用它们,而且给我们腾出了很多宝贵时间让我们将精力集中在其他重要的环节上。"

最终,AMRC成功在48小时内打印了500个不同设计的孔盖。同时,工程师们还通过3D打印将不同的几何形状实现在了组装工具上,使安装流程也得以轻松快速地完成。

通过内部3D打印实现快速迭代

比通用树脂快约4.2倍的 Draft Resin 模型树脂,可用于快速迭代

3D打印部件让工程师们将不同的几何形状快速实现在了组装工具上,使安装流程得以轻松快速地完成。

"车间的工人们对安装3D打印的部件也相当满意。组装过程中打印的部件完全发挥了其设计目的,同时也没有工人回报有质量问题的情况。"

除了缩短交付周期和减少经济成本,3D打印的另一个关键的优势是给团队提供了灵活性。

"倘若原有的设计在测试过程中体现了瑕疵,我们能立即将问题反馈到设计流程中并快速优化,而不再需要为了微小的改变将反馈发到外包服务公司,然后等待数周时间来看到结果。"

3D打印站及工作台,通过Dashboard统一管理及合作使用

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