產品設計:3D列印夾治具 設計大哉問!

設計3D列印的夾具與治具

此篇文章將會說明如何設計有效的夾具與治具,也會進一步強調如何用3D列印來減低成本、縮短研發時間並創造更有效率的工作流程,不管是產品設計工程師或者製造的技師都是。

介紹:

對製造廠商來說,最大化生產速度且同時保持物件的高品質是非常重要的。夾治具是用來讓製造與組裝流程更簡化、更可靠、縮短產品製作時間並改善工人安全的。在這份文章中,我們將說明夾治具設計的基本原理與概念,探討3D列印治具如何成功達到一般機械加工所製作夾具的效果。並進一步討論3D列印如何用獨特的雷射光固化技術材料來減低製造成本與縮短待貨期。


一般來說,製造商會透過內部或外包製作需要以金屬製作的機工具。根據物件所會承受的力量,其實有些不一定需要用金屬來製作。SLA 3D列印材料有非常大的進展,且擁有一系列3D列印夾治具所需的功能性樹脂,特別是Formlabs的一般樹脂與工程樹脂,像是高韌性2000樹脂類PP樹脂耐高溫樹脂世界各地許多的製造商已經使用這些材料來取代金屬製的治具,包含自動化加工流程、電子組裝產線、鑄造廠以及其他生產設施等。

夾具與治具設計基礎概念

了解設計的自由與限制程度

在多數的基本型態,治具會將零件固定在一個特定位置,同時承受輔助操作的力道,不讓零件發生不可接受的偏斜、移動或旋轉。要了解如何實現這個目標,首先需要了解工作流程的自由度。

一個實體在空間中有六個自由度:向上/向下運動、向左/向右運動,前進/後退運動以及沿一個或多個軸旋轉的能力,稱為滾動、迴轉

良好的治具設計原則是要盡量限制這些自由度,來達到精準的定位以及輔助操作的安全性。然而,不過度限制治具也是同樣重要的。為了要求更精確的夾治具而過度的限制會帶來不必要的力度與精度問題。

 

舉凳子為例來解釋這個原理。三腳凳的限制程度是非常剛好的:當頂面負重時,凳子無法垂直移動。摩擦力防止凳子向任何一方滑動,而另外兩腳則互相約束,以防止單腳或整個凳子的旋轉。

 

  • 精準的限制是指正確運作所需的每個點都有適度的自由度限制。
  • 當一個物件可以在一個或多個方向自由旋轉、移動或滑動時,限制不足的狀況就會發生。在夾具的狀況中,零件的限制性不足會使其無法正常運作,並陷機器操作者以及設備於重大危險。然而,根據不同的應用,有些作業還是需要較低的限制性。例如:一塊可以透過刨機自由移動的木板。
  • 支撐不足的零件擁有足夠的限制性來防止物體的移動與旋轉,然而沒有足夠的支撐去防止零件在像是銑銷、鑽孔等二次加工過程中發生明顯偏斜。
  • 當結構中有過多的限制時,就會構成「過度的限制」。一種可以思考的方式是:當有多重力道做同一項工作時,可能會彼此衝突,其中之一通常會”獲勝”並執行預期的工作。多餘力道在最好的狀況下沒什麼事,而最壞的狀況下可能會破壞結構的預期功能,因此造成零件品質不佳且增加操作員的風險。

然而,實際情況中,有時使用「過多」的限制是必要的。

四腳椅子就是過度限制的一個很好的例子,第四隻腳是多餘的,且地面稍有不平就可能引起搖晃的問題。

用更平整地板的需求來換取更大的整體穩定性。將這個概念放入生產的脈絡中,用比較寬容(限制較少)的夾具設計處理變數較大的物件(例如鑄件)來說是非常合適的,而較緊的夾具則適合較為精確的表面(機械加工或者射出成型的物件)。

3D列印的夾具與治具

先進的設計工具使工程師能夠製作高度優化的產品,不過相同的設計自由度與物件複雜度的提升使製作輔助操作的夾具與治具更加困難。傳統的工作系統如桌鉗、夾鉗無法固定與支撐不固定的形狀或者非常細緻的零件。3D列印讓工程師能夠創作而不受加工機的工具取得或磨損的限制。

透過加法製造來做夾具與治具可節省大量的時間跟金錢,且減少了涉及固態坯料的機具加工或是管材、板金的製造所需的技術性人力。即使夾具的成品會需要金屬零件,易取得且低成本的3D列印讓製造的工程師可以在耐久性加工前先做概念的測試。

特別是針對有弧面或複雜表面的物件,公司內部導入的3D列印設備比起外包铣銷大幅節省了成本,甚至是像聚乙烯這樣高密度的低成本塑料。擁有高精確度與良好的表面品質的 Formlabs 3D 列印機,非常適合用來製作曲面或者擁有細緻特徵的夾治具。

簡單夾具的成本 以鋁铣銷以高密度聚乙烯(HDPE)铣銷以高韌性2000印製
費用475美元360美元

46美元

交貨時間  3-5天3-5天少於一天

3D列印夾具與治具的應用

桌鉗夾具

客製化的鉗夾具能夠緊密配合擁有獨特幾何形狀的物件,可用於較複雜物件的固定,也避免軟金屬或塑性物件的損壞。3D列印對複雜形狀的快速生產時間與實惠的製作成本,對於生產鉗夾具與治具來說非常理想。



導孔器

導孔器有助於防止鑽頭的偏斜與移動,協助維持角度與圓柱公差的要求。導孔器套管有分壓入或螺絲鎖定式兩種,可從像McMaster-Carr等供應商購買。專為塑料所設計的套管最適合SLA列印的治具

過端量規(GO/NO GO量測工具)

使用模板或量規進行簡單的公差檢測可快速幫助品質控制檢查人員去決定一個物件是否能夠使用在成品上。3D列印的GO/NO GO量測工具在以下情況是非常有用的:在產品的成功性是取決於形式、尺寸上的微小差異,或者卡尺、千分尺、其他量測工具難以簡單快速達到的,例如複雜的橡膠物件。

GO/NO GO量測工具是為組裝或生產線實施額外品質控管一個快速且低成本的方式。

小提示:在某些特定應用中,量測工具會隨時間增加而磨損,進一步導致品質控管的失靈。因為3D列印量測工具的低成本與製造的簡易性,讓它們可以根據預定的時程或者根據需要去重新印製或者取代,避免品質因為量測儀的磨損而降低。大多接觸GO/ NO GO量測工具的物件為硬金屬。

組合型夾具

對許多產品來說,連結物件或者增加緊固件來製作子配件與完整配件是過程中最勞動密集的部分,3D列印零件專用的組合夾具大幅減少了週期時間,改善了裝配工作人員人體工學的工作流程,也改善了生產單位之間的一致性。

拆卸型夾具

相反地,未通過檢查的產品則會需要拆卸型夾具,進一步改正錯誤或使用設備進行翻新與維修。使用拆卸型夾具可使過程更快速也降低損壞風險。舉例來說,要將扣合件外殼分離時就需要兩邊的殼件同時打開,來防止零件的損壞。

黏合型夾具

運用3D列印夾治具來自做黏合的應用很有吸引力,因為他們的低成本讓相關的替換應用更容易被接受。

提示:在黏合型的夾具上塗抹一些脫模劑,使濺到夾具上固著的黏膠清洗更容易。

標籤、標記與遮蔽模板

3D列印的夾具對於低力度的應用來說非常有幫助;例如確保標籤在多個物件上被放置在同樣的位置,或者遮蓋某塊區域以便標記。

使用Formlabs彈性樹脂,能夠設計出一個與物件表面完全吻合的保形遮蔽模板。至於需要比較堅硬模板的應用,可以使用類PP樹脂。

替代零件


雖然替代零件本身不是夾具或治具,但時常被用來做成品夾具與治具的提前測試,讓生產與組裝產業可以更快速上線,並在實際的生產壓力到位之前先將缺陷排除。

 

替代零件讓製造過程的驗證能夠透過實惠的3D列印去完成,不需要冒險使用像是電子組件等精緻昂貴的零件。

 

雷射光固化技術很適合生產替代零件,因為其具有非常高的尺寸精度,以及良好的能力去複製精緻的細節,進一步解決FDM或者其他列印程序無法達到的製造流程。另外,因為雷射光固化所列印的物件是高度等向性的,跟FDM各向異性的零件相比,跟對等的射出成型物件更相似。

 

設計與使用3D列印夾治具的最佳做法

 

隨心設計的複雜度

因為3D列印可以達到自由的複雜度(增加複雜度但不增加零件成本)。在設計夾治具的時候,可以多花點時間來思考有哪些功能可以附加在夾治具上,多加利用這項優勢。難以加工的小特徵、或者由於铣銷刀具縫隙而被認為不可能使用的幾何形狀,都是加法製造過程的範疇。序號、製造日期跟其他相關的數據,都可直接從數位設計時建置在物件上以進行追蹤,不需要附加的雕刻步驟。

 

原本加工兩個零件合成的一個治具,可以被結合成單一物件,進而減少縫隙以避免在製作過程中殘餘的灰塵與碎片堆積。

舉例來說,原本定位用的直榫或圓柱插件,可以改用球狀或菱形結構的無縫隙單件。使用菱形或球狀定位器可以透過接觸面積最小化減少或消除零件在裝卸過程中的束縛。

將基準要素建置到夾治具中

在裝配過程中使用夾治具的其中一項流程是驗證夾具的尺寸精度。以3D列印設計夾具來定位的無定向結構表示夾具本身能夠做到更奇特的形狀。這些設計要用像卡尺或千分尺的標準量測工具來進行檢查是不容易的。因此,將基準要素建置到夾治具中會讓檢測變得更加容易與精確。

基準(datum)是指理論上的幾何精確參考—例如完全平坦的平面,圓柱的中軸孔洞等。基準要素是物件構成脈絡概念的實體化,用來做量測的參考準則。數據特徵應該跟輔助操作的需求、成品的功能需求有關。

盡可能在夾具內包括平面或直角形狀以幫助檢查並確定整體準度,零件準確度經過夾治具檢查後可得到驗證,因為像物件或工具的變形等操作條件會產生誤差,這些誤差就需要變更夾具設計。在精度至關重要的應用中,請使用數位量測工具如3D掃描器或是接觸探針來檢測更加有機的造型。

 

增加硬度

 

增加機械加工夾具硬度典型的方式是將多餘的材料留在負載下容易彎曲的位置。在加法製造的過程中,將材料消耗最小化能夠減低物件的成本。使用肋狀和片狀可以在不大幅增加成本與製作時間的情況下提供強化結構。

提升機械性連接的耐用度


在3D列印物件中使用螺紋孔連接夾具零件是無效的方法;跟金屬相比,這些物件在反複使用後更容易破裂或磨損。相反地,可以採用恢復性更強的組裝方法,像是在螺栓鎖緊時使用齒紋相嵌控制螺母。或者,3D列印的夾具可能會有通孔來將螺栓穿入下方的T型螺母或平面夾具中。為了避免物件連接時發生彈性變形的狀況,通孔應該採用合適於間隙的公差。

 

讓3D列印物件有更多可能性

 

在許多情況下,3D列印夾治具增加了工業零件供應商零件的使用。當某些組件需要特殊性或設計的彈性時,3D列印非常適合,不過以工作範圍整體或者其他像是硬度或導電性等要求則較無法透過加法製造流程來達成。


一般讓列印夾治具增添功能性的零件,像是金屬軸承跨越更大距離來維持堅固,或者讓螺釘加壓更大面積的墊圈。結合加法製造流程的零件快速增加了機械性能像是線性或旋轉性指標,且成本遠遠低於機械加工。

蠕變性的考量

有些雷射光固化的樹脂會在持續負載的狀況下產生蠕變(永久的彈性變形),如同3D列印夾具長時間鉗在工作桌的例子。為了避免持續負載而造成的翹曲,在完成輔助操作後,將螺栓鬆開以釋放鉗夾的壓力。

 

依照磨損的物件來做更換

 

即使是在正常的狀況下使用,夾具、治具、組合件等也是會壞掉或者在一定程度磨損後無法再使用。

 

透過使用加法製造來製作夾具、治具,一個機構可以掌控自己的生產線並擁有可按照磨損程度、需求來替換物件,比起仰賴委外製作最小數量來得好。用公司內部設備來替換損壞的工具,可以縮短供應鏈的時間,也減少工作暫停時間的風險。


小撇步:特定的冷卻液、溶劑、切削液等,可能會降解3D列印物件。在實際使用列印物件之前,可以先做簡單的測試。

 

驗證3D列印治具

 

當治具完成列印後,可根據材料的特性來做清洗與固化。Formlabs的自動清洗機(Form Wash)與溫控光固機(Form Cure)是確保物件不要在溶劑中浸泡太久而變形或者避免不均勻固化的最佳選擇。

 

若Formlabs的Preform用來產生物件支撐,在列印完成後小心地將支撐材去除與研磨,將凹凸不平處磨掉,維持表面的平整。


小撇步:可以將砂紙放到平面上,並幾物件靠在砂紙上,以固定、均勻的力道來達到一致的表面效果。

完成後,可以比對原始的CAD模型來檢查列印的零件。使用卡尺或千分尺來檢視列印的物件,可比對尺寸圖或者含有標註的CAD模型,並將可能影響到夾治具應用的差異。

如果一切都正確的話,接下來就是用來測試治具的功能性表現囉!

當物件被放置到治具上方時,仔細觀察固定的位置以及支撐處。一個設計良好的治具會適當地支撐物件,減少施力過程中的位移。

受力應會將物件均勻地進入治具,不會產生任何傾斜、位移或者物件的彎曲。

至於銑削或鑽孔等有較高操作施力的程序,可根據供給、速度、機具電壓,所選的材料與安全性等,來計算受力需求。初次使用時,牛刀小試一下確保每項功能無誤。

在執行物件的輔助操作後,進行另一次的檢查來驗證公差,並採用可配合的週期時間。當剛開始採用一個新的夾治具時,頻繁地品質測試能更容易發現可能造成品質不良的未預期錯誤或磨損。這些錯誤可以透過訓練或者治具設計的改良來及早避免。

當然,不是所有的夾治具都可以用3D列印來印製,要根據所需的功能來選擇合適的材料。在某些3D列印物件可能不適合作為最終用途的狀況下,雷射光固化所列印的物件還是可以拿來做外觀、尺寸與功能性的驗證,相較於直接做鋁塊铣銷更加省時省錢。

 

工作流程注意事項

彈出物件(彈射物件)

若希望夾治具真正作為一個節省時間的工具,了解如何快速地從裝置上拆卸物件,和裝載與受力也是同樣重要。

為了協助物件取出,可以使用彈簧、滑軌或者槓桿來將零件從夾具表面中彈起。透過將彈簧放入夾具中,操作員可以更容易地移除零件。可移動式的滑軌或者槓桿也可以達到相同的效果,操作員只需多做一個步驟。根據應用的方式、工具設置時間與週期時間的要求來決定最正確的方法。

工具使用注意事項

任何類型的機器加工操作都有可能會產生碎屑。好的夾治具設計可以控制碎屑的影響。舉例來說,鑽孔時會產生一些毛邊屑。在夾具中預留空間給這些邊屑,以免干擾物件或工具操作。

在相似的銑削應用中,小的材料碎片可能會堆積到夾治具上。盡可能縮小與減少碎屑可能跑進去的小缺口、凹槽或者小孔洞。可以設計凹陷的管道來改良夾治具的功能,在裝載與拆卸時,讓碎屑能夠順著路徑掉落。

圓角與凹槽可以做出傾斜面,讓輕掃、吹去或洗去工作區域的碎屑變得容易。銑削表面的圓角是非常耗時與昂貴的,需要耗掉大量材料或者需要做出接縫的組合件。

改善夾治具的使用者經驗

夾治具是用來減低勞工所需技能與勞力密集的工具,並欲來加速產品的生產速度。

 

設計良好的夾具為大量重複特定步驟的操作員,改善工作安全性、且也讓工作站更符合人體工學。一個成功的製造操作,除了要考量如何使用夾治具來製作產品,更要考量工作人員使用工具時的心理與生理感受。

儘管不同的應用都有不同的考量與需妥協的地方,不過一些能夠減少痛點與改良品質的概念是相同的:

 

  1. 盡量設計可以一手操作的夾治具,讓另一手可以自由用來定位、固定物件或者休息。
  2. 設計可以在輔助操作中不需要人力協助即可安全固定零件的夾治具。
  3. 使用會凸顯位置錯誤的造型,來讓錯位變得明顯。
  4. 不只要考慮治具本身,更要考慮到整個工作的流程,從裝載物件、輔助操作、到卸載物件並送入下一個工作站的整個流程。
  5. 使用夾治具的步驟越少越好,將產品週期與工作人員的疲勞最小化。設計時示意所有相關步驟,確保必要的運動與空間承受的能力都囊括在內。

結論

現代的工廠必須不斷調整並採用新的技術來確保競爭力,並達到生產與獲利的目標,並為工作人員提供安全的工作環境,減少工作人員的勞損。加法製造透過將夾治具盡可能設計為最接近實際製造的狀況,進而達成以上目標。熟悉製作過程中夾治具使用的工程師,能夠以正確的工具、正確的方式來完成更好的工作流程。

像Form3這樣低成本、高精度的3D列印機,縮短概念與現實的距離,進而改良製造的表面並維持競爭力,即使是小型組織也沒問題。

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