告别生产难题,FDM技术激发3D打印的小批量生产潜能

John Crane成立于100多年前,是转动设备解决方案的全球领导者。该公司设计并制造多类产品,包括机械密封件、机械系统、连接件、过滤系统和预测性数字监控技术。John Crane在欧洲的研发场所之一位于英国斯劳,团队在那里负责产品制造、测试、保养和维修等活动。

3D打印技术

对于John Crane公司所提供的服务,增材制造技术正扮演着越来越重要的角色。

2018年11月,公司在斯劳组建了一支全新的先进制造团队。该团队不仅使用3D打印技术制造模具来帮助车间人员开展生产作业,他们还生产低成本定制化的夹具治具来协助研发团队快速测试新的设计理念和制造工艺。

FDM增材制造技术

  John Crane的斯劳分部使用的Fortus 450mc 3D打印机

使用FDM增材制造技术应对传统制造所面临的挑战

John Crane的团队需要克服传统零部件生产的挑战,评估出可以节约的时间和成本。

在测试了多项技术后,他们联系了Stratasys当地的合作伙伴SYS Systems,购买了一台Stratasys Fortus 450mc™ 3D打印机。促使这一决定的关键在于Stratasys提供的一系列工程级材料,尤其是FDM® Nylon 12CF。

这是一种包含35%短切碳纤维的高级3D打印复合材料。该材料不仅在性能上能媲美传统制造零件,还能让John Crane将3D打印生产能力延伸到新的应用上,并将此作为日常运作的一部分。

John Crane全球运营先进制造项目经理Liam Johnston说道:

“我们之所以决定投资Fortus 450mc,是因为它能够完美替代CNC加工的昂贵金属零件。新技术的加持对我们的生产工艺立刻产生了积极的影响。使用FDM Nylon 12CF,我们能够3D打印出性能接近CNC加工品的零件。相比传统的生产方式,我们节省了大量时间和成本。这个领域的应用还为我们赢得了最终用户对材料和打印机性能的信任。同时,还提高了运营团队对3D打印的认知,现在他们常常会带着新3D打印需求来找我们团队。”

在增材制造团队为一个旋转试验装置设计和生产叶轮罩壳时,这些优点得到了尽数体现。这个装置的原理是利用气流来高速旋转密封部件,以验证该部件是否能承受运作期间出现的高压。然而,部分部件需要的速度超出当前装置的能力。因此,公司不得不将这类部件寄给分包商进行旋转测试,导致成本增加、交付周期延长。

John Crane团队设计并3D打印出新的罩壳,最终成功克服这些难题。新罩壳改善了叶轮周围的空气流动,从而提高了内部装置的旋转速度。Johnston表示,团队在一周的时间内完成了创建、制造和两次设计迭代测试,相比将任务分包,时间明显缩短。

3D打印机制作

  使用Fortus 450mc 3D打印机制作的叶轮罩壳设计迭代之一

Johnston解释道:

“内部的形状和流量分布很难用传统机加工的方式制作,而且成本较高。然而,单次3D打印的零件就能取代22件机加工金属部件组件,制作成本可以降低大约98%。升级后的装置可用于测试所有密封部件,相比由分包商进行旋转测试,能降低65%的测试成本并缩短3周的交付周期。这对我们的业务而言是一项重大突破。”

此外,增材制造技术帮助John Crane实现对积极健康和安全文化的承诺。团队3D打印了碳密封部件的复制品,以供员工练习装配密封组件。这些复制品更轻,在部件损坏时没有碳分裂的风险,因此使用更安全。此外,还为设备和模具定制防护装置,帮助John Crane快速解决了一系列潜在的安全隐患。

3D打印

钳口加工配件是3D打印节省大量时间和成本的另一个例子。由于John Crane总是需要小批量生产一系列产品,这会在CNC加工中心内造成大量停机时间。

因为这类生产需要更换金属夹钳,以匹配加工零件的直径。此类金属夹钳和一些CNC模具会占据宝贵的存储空间,并且并非总是有货,因此需要耗费额外的时间来订购、运送并加工新模具来满足要求。

为解决这些问题,团队用FDM Nylon 12CF材料3D打印了可互换的夹持嵌件和对位套筒,支持新设计的标准卡盘爪。现在,每次换班前都能打印出多个设计的夹钳配件,以匹配待加工零件的轮廓和尺寸。

“这些新打印的工件夹具能将机器的平均设置时间减少80%,并释放多余的CNC产能,用以加工金属夹钳。由于订购和运送新夹钳而产生的无形成本和交期延误问题,如今都得到了解决。对于大多数的模具应用,Nylon 12CF在打印件强度、制作成本和表面光洁度方面帮助我们取得了最佳效果。”

  ——Liam Johnston

  John Crane全球运营的先进制造项目经理

畅想未来

随着John Crane企业内部对增材制造越来越多的认同,Johnston认为,下一步自然是利用3D打印技术来制作终端零件。

“我们在大部分生产工作中使用了Fortus 450mc,这使我们能够更好地认识增材制造在替代生产零件和模具方面的巨大潜力,我们在车间使用工业级FDM打印机,这样我们便可以向车间操作人员和管理人员展示这项技术的能力,让流程所涉及的团队成员都能掌握相关知识。这自然也会引导我们去探索如何进一步优化这项技术来生产终端零件,我们能看到3D打印在小批量生产应用上的真正潜能。”

  ——Liam Johnston

  John Crane全球运营的先进制造项目经理