從打樣到生產:3D列印於鈑金製作的應用

金屬製造對各種領域的經濟都至關重要。由於其強度、硬度和長期耐用性,金屬元件應用的範圍包括電器到建築部件和車身面板中。傳統的金屬製造技術包括模壓、鑄造、成型、連接和機械加工。 

鈑金成型涉及多元過程,皆是施加外力到金屬片上使其塑形為所需要的形狀,而不減除材料修改其幾何形狀。鈑金可以被彎曲、拉伸成各種複雜的形狀,進而可以創造擁有高強度與最少材料的複雜結構。

鈑金成型是現今製作大量零件製造最具成本效益的成型工藝。它可以在工廠中實現高度自動化,或在金屬工作室中做小批量零件生產。它是一種通用性高、一致性高且高質量的程序,可在低材料浪費情況下製造精確的金屬零件。從金屬罐到硬體保護外殼,透過鈑金成型製造的零件在我們的日常生活中隨處可見。 

在本篇文章中,您將了解鈑金的基礎知識、各種鈑金成型工藝,以及如何使用鈑金成型製作快速加工工具和 3D列印模具時降低成本。

 

鈑金基礎知識

鈑金是指透過工業過程形成的薄且扁平的金屬件。它們可以是極薄的片材,被認為是箔紙或葉子,厚度可達 6 毫米(0.25 英寸)。厚度超過 6 毫米的物件被視為鋼板或「結構鋼」。鈑金厚度在全球通常以毫米為單位,而美國則使用稱為非線性度量作為尺規,量規數字越大,金屬板越薄。 

▲一種用於形成電鋸刀片防護罩的鈑金毛胚。

鈑金廣泛用於汽車、飛機、火車、五金外殼、辦公工具、家具、家用電器、電腦、機器組件、飲料罐以及建築(管道、排水溝等)的製造。 

金屬板通常用於耐久性比重量更重要的應用,例如船舶、壓力容器和渦輪機的較大結構物件。

許多不同的金屬可以加工成金屬板,包括鋁、鋼、黃銅、錫、銅、鎳、鈦,以及裝飾用途的金、銀和鉑。

鈑金加工材料通常是軋製而成,接著成為可以切割和彎曲成各種形狀的捲圈。

 

鈑金製造的運作流程

鈑金成型包括透過模具或沖壓工具實現的彎曲、旋壓、拉伸或拉伸等處理。製作過程主要在壓力機上進行,而零件會在兩個模具之間成型。

鈑金成型過程很簡單:

  1. 從現有的金屬中切割出金屬薄片,來製作單一毛胚。
  2. 將毛胚放在成型機器中的兩個模具之間。
  3. 在機器的強大作用下,上模將鈑金推向相對應的下模,並將其彎曲為所需的形狀。

▲鈑金成型的製作流程。

不利的是,鈑金成型是一項設備密集的製作方式。該過程需要仰賴專用的機械和工具。如上所示,工具(也稱為模板或模具)是成型機用於彎曲板材的部分。 

一般來說,製造商會透過內部CNC加工或外包的方式,來生產這些金屬加工工具(模具等)。這種加工方式價格昂貴,而且交貨時間較長。

然而,在創新發展的推動下,使用金屬零件的行業需要更複雜的結構,來達到更敏捷的製作方法與流程。重新思考加工方式可以是解決此問題的好方法。

 

用來打樣與小量鈑金生產的3D列印模具

儘管如車身面板之類的大尺寸零件還是需要較為重型的加工方式,但大多數金屬工廠也生產各種需要較小彎曲力的小型零件。透過工廠內部的3D列印來製作打樣樣件以及小量的成品零件,可以縮短產品開發的時間,也能減少生產的成本。

工廠內部的3D列印方式,讓工程師可以在數小時內就完成金屬零件的樣品,並作工業設計的快速迭代,且可以達到複雜的幾何形狀,同時可以減少對外包的依賴。專業的桌面級3D列印機,價格實惠且易於操作,並可以根據需求快速擴增。

▲用於製作替換刀片防護罩的上下模具,透過3D列印經歷不同設計迭代。

許多製造工廠已經在工廠中使用雷射光固化(SLA)的光敏樹脂來替代金屬夾具、治具以及替換零件。在像是射出成型或者熱塑成型的過程中,在製作昂貴的金屬模具之前,使用塑料模具來做設計是解決DFM挑戰很有效的方法。從金屬到塑料的材料成本節省都非常可觀。

觀看影片了解 Formlabs 工程團隊Shane Wighton 如何使用 3D列印工具形成鈑金零件以進行概念驗證。 

SLA雷射光固化3D列印技術為鈑金提供了許多有趣的特性。SLA雷射光固化設備擁有高精度與平滑表面,能夠製造出具有精緻組合功能的物件,可提供重複使用性。由於Formlabs設備用有多元機械性能的材料,選擇適合特定情況使用的材料,可以更加優化製作的成果。承受壓力的條件下SLA樹脂相較其他3F列印材料而言具有等向性且相當穩定。塑料製成的模具也可以省去拋光的步驟,因為塑料模具不會在中間的金屬薄片產生金屬痕跡。

這個製作方式類似於一般的鈑金成型工作流程。區別在於零件的設計、上模與下模所製成的兩件式工具。將單一的金屬片放置在上模與下模之間,並用液壓機或其他成型設備壓制

重新思考鈑金成型加工方式

重新思考工具製造是降低金屬製造成本的有效方法。除了製作昂貴工具的原型所提供的敏捷性之外,3D列印塑膠模具還可以成為昂貴金屬工具的高效且經濟實惠的替代品。對於鈑金成型,3D 列印工具提供了多種應用機會,從彎曲支架到壓花物件、百葉窗、格柵和用於折彎機的現成模具組。 

 

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