به عنوان کسی که تمام دوران حرفه‌ای خود را در دنیای تولید سپری کرده‌ام، شاهد تکامل بحث پیرامون چاپ سه‌بعدی و قالب‌گیری تزریقی پلاستیک بوده‌ام. سال‌ها، این دو در مقابل یکدیگر قرار می‌گرفتند: «جدید در مقابل قدیم»، «انعطاف‌پذیری در مقابل حجم»، «مخرب در مقابل پادشاه».

این یک روش اساسی اشتباه برای دیدن بازار است.

چاپ سه‌بعدی (تولید افزودنی) جایگزینی برای قالب‌گیری تزریقی پلاستیک نیست. این قدرتمندترین فناوری مکمل است که در طول زندگی‌ام ظهور کرده است. این پادشاه را جایگزین نمی‌کند؛ بلکه پادشاه را سریع‌تر، هوشمندتر و چابک‌تر می‌کند.

برای مشتریانم و در پروژه‌های خودم، دیگر آن‌ها را به عنوان یک انتخاب «یا/یا» نمی‌بینم. من آن‌ها را به عنوان یک مشارکت «چه زمانی و چگونه» می‌بینم. قالب‌گیری تزریقی، قهرمان بی‌چون و چرای تولید انبوه است و سرعت، تکرارپذیری و کمترین هزینه ممکن برای هر قطعه را در مقیاس ارائه می‌دهد. هزینه‌های راه‌اندازی بالا و زمان‌های طولانی تولید، مانع ورود شناخته‌شده آن است. در مقابل، تولید افزودنی، قهرمان سرعت در تولید اولین قطعه، پیچیدگی و اقتصاد کم‌حجم است و هیچ هزینه‌ای برای ابزارسازی ندارد.

جادوی واقعی زمانی اتفاق می‌افتد که مقایسه آن‌ها را متوقف کنید و شروع به ادغام آن‌ها کنید. استفاده از متفاوت (تفجیر لیزری انتخابی یا در فرآیند قالب‌گیری تزریقی پلاستیک، روشی است که تولیدکنندگان مدرن در آن برنده می‌شوند. این روشی است که من دیده‌ام شرکت‌ها هزینه‌های توسعه را کاهش داده‌اند، در زمان رکورد به بازار رسیده‌اند و خطوط تولید خودکار و کارآمدتری ایجاد کرده‌اند.این پست، بررسی عمیق من در مورد این هم‌افزایی قدرتمند است. من از خط ساده «استفاده از چاپ سه‌بعدی برای نمونه‌های اولیه» فراتر می‌روم. من قصد دارم چهار روش پیشرفته و تأثیرگذار را به شما نشان دهم که این دو فناوری به عنوان یک تیم کار می‌کنند.

1. تغییردهنده بازی: ابزارسازی سریع (قالب‌های چاپ سه‌بعدی)

این مستقیم‌ترین و انقلابی‌ترین روشی است که چاپ سه‌بعدی از قالب‌گیری تزریقی پشتیبانی می‌کند. به جای صرف هفته‌ها و ده‌ها هزار دلار برای ماشین‌کاری CNC یک قالب فولادی یا آلومینیومی پیچیده فقط برای آزمایش، می‌توانم یک درج قالب را در عرض چند ساعت و با کسری از هزینه، در داخل شرکت چاپ سه‌بعدی کنم.

این چیزی است که ما در صنعت به آن

ابزارسازی سریع می‌گوییم. غیرممکن است.

سپس می‌توانم پلاستیک درجه تولید - مانند ABS، PP یا نایلون - را به این قالب چاپ‌شده تزریق کنم تا قطعات واقعی و کاربردی ایجاد کنم.

چرا اینقدر قدرتمند است

مزایایی که من مستقیماً دیده‌ام، خیره‌کننده هستند:

کاهش هزینه‌های عظیم:

• یک قالب چاپ سه‌بعدی می‌تواند 100 تا 1000 دلار هزینه داشته باشد. یک قالب آلومینیومی ماشین‌کاری‌شده ساده از 2000 دلار شروع می‌شود و یک قالب تولید فولادی پیچیده می‌تواند به راحتی به 100000 دلار برسد. در یک مطالعه موردی، یک شرکت با استفاده از یک قالب چاپ سه‌بعدی، 97٪ در هزینه‌های ابزارسازی برای تولید 6000 قطعه صرفه‌جویی کرد.سرعت باورنکردنی:

• می‌توانم یک قالب را صبح طراحی کنم، بعد از ظهر آن را چاپ سه‌بعدی کنم و عصر قطعات را تزریق کنم. این را با زمان تولید 4 تا 8 هفته‌ای برای یک قالب سنتی مقایسه کنید. این باعث می‌شود جدول زمانی توسعه محصول از ماه‌ها به روزها کاهش یابد.اعتبارسنجی طراحی واقعی:

• این مهم‌ترین نکته است. نمونه‌های اولیه یک چیز هستند، اما در مورد فرآیند تولیدفرآیند تولیدطراحی قالب‌گیری خود را تأیید کنم. من می‌توانم موارد زیر را آزمایش کنم:جریان:

  • پلاستیک مذاب چگونه حفره را پر می‌کند؟تاب برداشتن:

  • آیا قطعه به روش‌های غیرمنتظره خنک می‌شود و تاب برمی‌دارد؟محل دروازه:

  • آیا دروازه من در جای مناسب قرار دارد، یا لکه‌ای باقی می‌گذارد یا مشکلاتی در جریان ایجاد می‌کند؟علامت‌های پین اجکتور:

  • آیا مکان‌های پین اجکتور برای جدا کردن قطعه به درستی است؟یافتن یک نقص در یک مدل سه‌بعدی آسان است. یافتن یک نقص در یک قالب فولادی 50000 دلاری یک فاجعه است. ابزارسازی سریع به من اجازه می‌دهد تا سریع و ارزان شکست بخورم و 2 تا 3 بار در یک هفته بر روی

خود طراحی قالب تکرار کنم تا زمانی که بی‌نقص شود. تنها در این صورت است که به برش فولاد گران‌قیمت متعهد می‌شوم.مطالعه موردی در عمل: AMRC و تاب برداشتن

یک مثال واقعی عالی از مرکز تحقیقات تولید پیشرفته (AMRC) دانشگاه شفیلد می‌آید. آن‌ها پروژه‌ای را برای چاپ سه‌بعدی یک ابزار قالب پلیمری بر عهده گرفتند. اولین تلاش آن‌ها با یک چاپگر مبتنی بر رزین منجر به تاب برداشتن قابل توجهی پس از فرآیند پخت شد و قالب را بی‌فایده کرد.

به جای تسلیم شدن، آن‌ها تکرار کردند. آن‌ها به یک

فناوری چاپ سه‌بعدی متفاوت (تفجیر لیزری انتخابی یا SLS) و یک ماده متفاوت (نایلون 11) روی آوردند که سخت‌تر و شکننده‌تر بود. در حالی که این قالب جدید هنوز برخی از مشکلات صافی را نشان می‌داد، خواص مکانیکی برتر آن به آن اجازه داد تا در برابر نیروهای گیره فرآیند قالب‌گیری تزریقیقالب‌گیری تزریقیاین قدرت ابزارسازی سریع در یک پوسته است: آن‌ها چندین مشکل مهندسی پیچیده (انتخاب مواد، تاب برداشتن، هندسه قطعه) را در کسری از زمان و هزینه که با

تولید سنتیتولید سنتی غیرممکن است.

همه چاپگرهای سه‌بعدی برای این کار یکسان ایجاد نشده‌اند. انتخاب به جزئیات قطعه مورد نیاز، طول عمر قالب و دمای پلاستیک تزریق‌شده بستگی دارد.

فناوری

دومین روشی که من از این فناوری‌ها با هم استفاده می‌کنم، چیزی است که به آن

«ابزارسازی پل» یا «تولید پل» می‌گویند.

این سناریو را تصور کنید: طراحی محصول شما نهایی شده است. شما از ابزارسازی سریع برای تکمیل قالب استفاده کرده‌اید. اکنون، شما قالب تولید فولادی سخت‌شده 80000 دلاری خود را سفارش داده‌اید، اما زمان تولید 12 هفته است. آیا شما...

الف) سه ماه صبر می‌کنید بدون هیچ محصولی، و به رقبای خود اجازه می‌دهید تا به شما برسند؟

ب) محصول خود را راه‌اندازی می‌کنید و از همین حالا شروع به فروش می‌کنید؟

پاسخ ب است. و روشی که من این کار را انجام می‌دهم با ابزارسازی پل است.

یک ابزار «پل» یک قالب چاپ سه‌بعدی قوی‌تر (یا یک قالب آلومینیومی که به سرعت ماشین‌کاری شده است) است که برای تولید اولین قطعات تولید واقعی طراحی شده است. این شکاف بین نمونه‌سازی و تولید انبوه را «پل» می‌زند.

این برای 10-50 قطعه نیست. این برای تولید 500، 1000 یا حتی 5000+ قطعه در ماده نهایی و نهایی است. یک قالب MJF یا SLA با کیفیت بالا قطعاً می‌تواند این مقادیر را تحمل کند.

ارزش استراتژیک پل

این استراتژی چیزی بیش از سرعت است؛ این یک مزیت اساسی تجاری است.

• اولین کسی باشید که به بازار می‌رسید: من می‌توانم محصول خود را در قفسه‌های فروشگاه یا ارسال به مشتریان داشته باشم در حالی که رقبای من هنوز منتظر ساخت ابزار خود هستند. در بسیاری از صنایع، این مزیت اولین حرکت، همه چیز است.

• ایجاد درآمد اولیه: من می‌توانم امروز جریان نقدی را از محصول خود شروع کنم. این درآمد می‌تواند به پرداخت هزینه ابزارسازی گران‌قیمت تولید انبوه که هنوز در حال تولید است، کمک کند.

• آزمایش بازار در دنیای واقعی: این یک راه درخشان و کم‌خطر برای آزمایش یک محصول است. اگر پیش‌بینی فروش اولیه من از 500000 واحد اشتباه باشد چه؟ به جای نشستن روی یک قالب 80000 دلاری و 100000 واحد موجودی، می‌توانم یک دسته 5000 قطعه را با یک ابزار پل اجرا کنم. این به من اجازه می‌دهد تا تقاضای واقعی بازار را قبل از تعهد به هزینه‌های سرمایه‌ای عظیم، بسنجم.

• فعال کردن نسخه محصول: ابزارسازی پل به من اجازه می‌دهد تا مانند یک شرکت نرم‌افزاری کار کنم. من می‌توانم «ویجت v1.0» را با یک ابزار پل راه‌اندازی کنم. در حالی که این در حال فروش است، می‌توانم بازخورد مشتریان را جمع‌آوری کنم، چند تغییر در طراحی ایجاد کنم و یک ابزار پل جدید برای «ویجت v1.1» فقط چند هفته بعد چاپ کنم. این رویکرد چابک و تکراری برای سخت‌افزار با تولید سنتی غیرممکن است.

یک مطالعه موردی از Interroll، شرکتی که به یک جزء محفظه پلاستیکی نیاز داشت، این موضوع را کاملاً برجسته کرد. حجم تولید آن‌ها به طرز وحشیانه‌ای متفاوت بود. با استفاده از هر دو چاپ سه‌بعدی و قالب‌گیری تزریقی، آن‌ها می‌توانستند عرضه خود را ثابت نگه دارند، هزینه‌ها را مدیریت کنند و انعطاف‌پذیر بمانند و از فرآیند مناسب برای تقاضا در هر زمان معین استفاده کنند.

3. قهرمان گمنام: فیکسچرها و وسایل چاپ سه‌بعدی

این یکی از کاربردی‌ترین و پربازده‌ترین برنامه‌های چاپ سه‌بعدی در یک فروشگاه قالب‌گیری است، اما کمترین توجه را به خود جلب می‌کند.

فرآیند قالب‌گیری تزریقی فقط زمانی متوقف نمی‌شود که قطعه خارج شود. قطعه اغلب نیاز به خنک شدن، بررسی، مونتاژ یا انجام عملیات ثانویه بر روی آن دارد. برای انجام این کار به طور مداوم و سریع، ما از فیکسچرها و وسایل استفاده می‌کنیم.

• فیکسچرها: یک ابزار را هدایت می‌کنند (به عنوان مثال، یک راهنمای مته، یک راهنمای برش).

• وسایل: یک قطعه را در یک مکان خاص و تکرارپذیر نگه می‌دارند (به عنوان مثال، یک فیکسچر خنک‌کننده، یک لانه مونتاژ، یک فیکسچر بازرسی QC).

به طور سنتی، این ابزارها با زحمت از آلومینیوم یا استال (Delrin) ماشین‌کاری می‌شدند. این کار کند، گران بود و به یک ماشین‌کار ماهر نیاز داشت و آن‌ها را از کار با ارزش بالا (مانند ساخت قالب) دور می‌کرد.

امروزه، من آن‌ها را چاپ سه‌بعدی می‌کنم. همه آن‌ها را.

چرا من هر فیکسچر و وسیله را چاپ سه‌بعدی می‌کنم

وقتی وارد یک کارگاه مدرن می‌شوم، تأثیر آن آشکار است.

• سرعت و هزینه: یک ماشین‌کار ممکن است یک روز کامل و 200 دلار مواد را صرف ساخت یک فیکسچر مونتاژ پیچیده کند. من می‌توانم همان فیکسچر را یک شبه با حدود 30 دلار مواد چاپ کنم. بازگشت سرمایه دیوانه‌وار است. John Crane، یک شرکت تولیدی، با استفاده از دستگاه‌های نگهدارنده کار چاپ سه‌بعدی، 80٪ در زمان راه‌اندازی دستگاه صرفه‌جویی کرد.

• ارگونومی و وزن: فیکسچرهای آلومینیومی ماشین‌کاری‌شده سنگین هستند. در طول یک شیفت 8 ساعته، یک اپراتور که صدها بار آن فیکسچر را بلند می‌کند، خستگی را تجربه خواهد کرد. من می‌توانم همان فیکسچر را با استفاده از موادی مانند ماشین‌کاری CNC - درجه ABS یا نایلون پر از فیبر کربن چاپ سه‌بعدی کنم و آن را 70-90٪ سبک‌تر کنم. این ارگونومی اپراتور را بهبود می‌بخشد و خستگی را کاهش می‌دهد.

• انطباق کامل: یک قطعه قالب‌گیری‌شده به ندرت یک بلوک کامل است. دارای منحنی‌های پیچیده، برش‌های زیرین و دنده‌ها است. ماشین‌کاری یک فیکسچر که کاملاً این شکل پیچیده را در بر می‌گیرد، دشوار است. با چاپ سه‌بعدی، این کار پیش پا افتاده است. من فقط مدل سه‌بعدی قطعه اصلی را می‌گیرم، آن را از یک بلوک در نرم‌افزار CAD خود کم می‌کنم و یک لانه کاملاً مناسب و سفارشی دارم.

• تکرار در لحظه: یک مهندس در کارخانه آئودی خاطرنشان کرد که چاپ سه‌بعدی به آن‌ها اجازه می‌دهد تا ابزارها را به سرعت بسازند و به درخواست‌های خاص همکاران در خط مونتاژ پاسخ دهند. اگر یک اپراتور بگوید: «این فیکسچر اگر این دسته به طور متفاوتی زاویه‌دار بود، بهتر می‌شد»، من می‌توانم این تغییر را روی رایانه ایجاد کنم و یک ابزار جدید و بهبودیافته را صبح روز بعد در دستان آن‌ها داشته باشم. این روشی است که شما یک خط تولید واقعاً کارآمد و شاد می‌سازید.

شرکت‌هایی مانند Polaris و Medtronic از اجرای این استراتژی، صرفه‌جویی‌های عظیم و افزایش کارایی را گزارش کرده‌اند. این به اندازه چاپ یک قالب «جذاب» نیست، اما تأثیر روزمره بر هزینه، سرعت و بهره‌وری بسیار زیاد است.

4. فعال‌کننده اتوماسیون: ابزارسازی انتهای بازوی چاپ سه‌بعدی (EOAT)

چهارمین حوزه، توسعه فیکسچرها و وسایل است، اما برای ربات‌ها.

در یک سلول قالب‌گیری تزریقی پلاستیکی مدرن و خودکار، یک بازوی ربات وارد می‌شود، قطعه (یا قطعات) را از قالب می‌گیرد و آن‌ها را به ایستگاه بعدی (مانند ایستگاه برش، دوربین QC یا نوار نقاله) منتقل می‌کند. «دست» آن ربات، ابزار انتهای بازو (EOAT) غیرممکن است.

این EOAT یک قطعه مهندسی سفارشی است. می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• گیره‌ها (پنوماتیک یا مکانیکی)

• فنجان‌های خلاء

• سنسورهایی برای تشخیص قطعه

• تیغه‌های نیپر برای برش دونده

مانند فیکسچرها، این‌ها به طور سنتی از آلومینیوم سفارشی ماشین‌کاری می‌شدند. این یک گلوگاه بزرگ ایجاد کرد. هر بار که طراحی محصول تغییر می‌کرد یا یک پروژه جدید شروع می‌شد، باید هفته‌ها منتظر می‌ماندید تا یک EOAT جدید و گران‌قیمت ماشین‌کاری شود.

چگونه چاپ سه‌بعدی، اتوماسیون قالب‌گیری را متحول می‌کند

چاپ سه‌بعدی این گلوگاه را از بین می‌برد و امکانات طراحی جدیدی را باز می‌کند.

• کاهش وزن کلیدی است: یک بازوی ربات دارای حداکثر بار است. هر چه EOAT سنگین‌تر باشد، «بار» کمتری برای قطعه که در حال حرکت است باقی می‌ماند و ربات باید کندتر حرکت کند تا اینرسی را مدیریت کند. با چاپ سه‌بعدی EOAT از پلیمرهای سبک وزن، می‌توانم وزن آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهم. این به ربات اجازه می‌دهد تا سریع‌تر حرکت کند، که مستقیماً زمان چرخه کل فرآیند تولید را کاهش می‌دهد. کاهش حتی نیم ثانیه از زمان چرخه 15 ثانیه‌ای، هزاران دلار سود را در طول یک میلیون قطعه تولید اضافه می‌کند.

• ادغام و هندسه‌های پیچیده: اینجاست که واقعاً ظریف می‌شود. یک EOAT سنتی دارای بدنه اصلی، به علاوه براکت‌ها، لوله‌ها و شیلنگ‌های جداگانه برای تمام فنجان‌های خلاء و گیره‌های پنوماتیک است. با چاپ سه‌بعدی (به ویژه SLS یا MJF)، می‌توانم تمام آن کانال‌های هوا را مستقیماً در بدنه EOAT طراحی کنم. آنچه زمانی 20 قطعه جداگانه بود، به 1 جزء چاپ سه‌بعدی تبدیل می‌شود. این سبک‌تر است، نقاط خرابی کمتری دارد و مونتاژ آن فوق‌العاده سریع است.

• گیره‌های سفارشی و منطبق: درست مانند فیکسچرها، می‌توانم گیره‌هایی را طراحی کنم که کاملاً با شکل پیچیده قطعه من قالب‌گیری شده‌اند. این یک چسبندگی ایمن‌تر و ظریف‌تر را فراهم می‌کند که برای قطعات نوری شفاف یا سطوح با آرایش بالا که نمی‌توانند خراشیده شوند، بسیار مهم است.

• نمونه‌سازی سریع برای اتوماسیون: هنگام طراحی یک سلول خودکار جدید، می‌توانم سه طرح EOAT مختلف را در یک روز چاپ سه‌بعدی کنم و آن‌ها را روی ربات آزمایش کنم. من می‌توانم به سرعت بفهمم کدام یک چسبندگی قابل اطمینان‌تر و سریع‌ترین زمان چرخه را ارائه می‌دهد. این فرآیند اتوماسیون را از خطر خارج می‌کند و با تولید سنتی غیرممکن است.

حکم نهایی: مقایسه را متوقف کنید، ادغام را شروع کنید

بحث قالب‌گیری تزریقی پلاستیک در مقابل چاپ سه‌بعدی به پایان رسیده است. جامعه حرفه‌ای پاسخ را می‌داند: شما به هر دو نیاز دارید.

فکر کردن به آن‌ها به عنوان رقیب، مانند این است که بحث کنید که آیا باید آچار داشته باشید یا پیچ‌گوشتی. آن‌ها ابزارهای مختلفی برای کارهای مختلف هستند و هر سازنده جدی به هر دو در جعبه ابزار خود نیاز دارد.

جریان کار من نمونه‌ای عالی از این واقعیت جدید و یکپارچه است:

1. من از چاپ سه‌بعدی (FDM/SLA) برای ایجاد نمونه‌های اولیه مفهومی اولیه برای بررسی فرم و تناسب استفاده می‌کنم.

2. من از چاپ سه‌بعدی (SLA/MJF) برای ایجاد ابزارسازی سریع (یک قالب چاپ‌شده) برای تأیید طراحی قالب و فرآیند تولید خود با 100-500 قطعه در پلاستیک تولید نهایی استفاده می‌کنم.

3. من از این قالب به عنوان ابزارسازی پل برای اجرای 5000 واحد اول استفاده می‌کنم، محصول خود را به بازار می‌رسانم و 10 هفته زودتر از موعد مقرر درآمد ایجاد می‌کنم.

4. در حالی که این اتفاق می‌افتد، من از چاپ سه‌بعدی (SLS/FDM) برای ایجاد تمام فیکسچرها، وسایل و EOAT سفارشی که برای خط مونتاژ و QC خودکار خود نیاز دارم، استفاده می‌کنم.

5. هنگامی که قالب تولید فولادی سخت‌شده من می‌رسد، در حال حاضر یک طرح اثبات‌شده است. خط اتوماسیون من در حال حاضر ساخته شده و از خطر خارج شده است. من می‌توانم آن را «وصل» کنم و به میلیون‌ها قطعه با زمان خرابی صفر مقیاس کنم.

این جریان کار جدید است. چاپ سه‌بعدی با قالب‌گیری تزریقی پلاستیک رقابت نمی‌کند. این کار را سریع‌تر، ارزان‌تر، کم‌خطرتر و کارآمدتر از همیشه می‌کند.