3D列印如何在頂尖科技研究中心服務百餘位工程師

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英國謝菲爾德大學的先進製造研發中心 (Advanced Manufacturing Research Center) 在機械加工、生產製造及材料開發方面都引導著很多世界一流的研發項目。這些項目的成果已幫助超過100家不同大小的企業獲得新的突破,包括波音公司、勞斯萊斯、BAE Systems、空中巴士等著名企業。這些企業往往會帶著非常明確且刁鑽的技術問題來到 AMRC 嘗試具有創新性的解決方案,然後研發團隊會嘗試應用最新的技術和工作流程來開發對應的概念測試可行性,最终應用到企業的生產或研發流程中。

AMRC 的目標是探索不同頂尖新型技術並提高它們的應用範圍,從而加速創新。近期,團隊採購了12台光固化3D列印機 Form2, 並建立了一個 「3D列印中心」,供整個研發團隊使用。數周内列印中心已達到滿載狀態,列印物件應用在數百個項目中。

「這樣一批列印機明顯地提高了我們的運作效率,現在可以說我們隨時都有上百個項目應用3D列印,服務著上百位工程師。在工程師們擁有3D列印中心後,製作零件的時間已從一周半的時間缩減到幾小時。」馬克·可英 AMRC 增材製造技術總監。

馬克將12台 Form2 分成兩排放置在鐵架上,並配置了數台 Form Cure 及 Form Wash 用於清洗及後處理。鐵架側面設置了成型平台、成型槽、使用說明、風險評估工具及一個列印物件的過渡存放區。

3D列印中心由一個技術人員管理和维護。技術人員透過雲端監控每台列印機的列印狀態及樹脂使用情況。如此,整個研發中心的工程師們即可随時安排列印任務,唯一需要做的就是按 「開始列印」鍵。

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AMRC内部

研發中心的所有工作人員都可報名3D列印培訓課程,通常只需45分鐘到1個小時即可完成。完成後,工程師們基本上已經成功列印了他們的第一個列印物件。

透過口頭傳播的知識分享是最有效的方式。受過培訓的工程師們常常會立即開始使用3D列印機並把他們的作品帶回所屬部門,用於證明不同概念模型、原型或直接组裝到機器當中。

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AMRC 3D列印中心

AMRC的3D列印應用案例

1.鑽孔蓋帽
透過3D列印中心,和空中巴士公司 (Airbus) 合作的研發項目在48小時内完成了500個鑽孔蓋帽的列印,成功避免了交叉污染。

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2.機械臂支架
工程師在嘗試不同材料後,使用 formlabs Durable Resin (類PP樹脂) 材料列印的改良支架,使機械手臂能在自動化生產流程中持久地完成複合材料的抓取工作。

3.溫度感應器固定装置
在核能行業中的一個自動化焊接項目中,研發人員3D列印了一批能在高溫還境作業的墊圈、支架及感應器固定裝置。

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4.線材滾輪
負責複合材料的研究員為纖維纏線機製作了一組客製化滾輪。該機器生產用於航空飛行項目中的不同密封軟管,滾輪零件是一個持續傳輸碳纖維或玻璃纖維等線材的關鍵零件。

48小時,500個物件

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Factory 2050

AMRC的首棟建築“工廠2050”(Factory 2050),耗資四千三百萬英鎊建造。在此工廠中工作的是一個稱作集成製造組(Integrated Manufacturing Group)的團隊,負責與不同行業的企業將先進的技術集中於此地並將其應用於開發集成系统。他們的重要挑戰之一是確保自動化、數字輔助裝配和加工技術等複雜程序能在不同環境中順利進行。

最近,團隊與歐洲最大的航空業製造公司 - 空中巴士公司(Airbus) – 研發了一個項目,主要涉及碳纖維、鋁和鈦金屬組件的高精度鑽孔和機械加工。

鑒於嚴格的航空製造業要求,此項目試驗期的一個重要目的是防止鑽孔的交叉污染。但在項目研發後不久,團隊成員意識到原計畫的解決方案存在漏洞。而若想要透過機械加工或注塑成型更換零件,項目完成時間將延遲數周。 

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自動化鑽孔

 

「鑽孔過程中的一個關鍵要求是我們的鑽孔中不能有任何污染。污染指的是在鑽完一個孔後在開始鑽下一個孔之前,我們需要蓋住第一個孔以避免鑽新孔時碎片及粉末不會污染原有的孔。當我們意識到我們需要這樣的特殊鑽孔蓋時,我們能用在尋找解決方案上的時間已經不多了。」喬治·史力斯AMRC工程項目經理

一開始,工程師們嘗試使用了一個O形橡膠圈環繞的鋁製蓋帽,但此解決方案的缺點很快被發現。整個項目的進展明顯延遲,若持續下去將無法按時交付。

團隊很快又嘗試了新的設計:一個微小的塑膠圓盤,周邊切出一個凹槽,用於鑲嵌O型橡膠圈。此物件有相當高的精度要求,因為切割若偏大,則橡膠會容易滑落。凹槽的公差不能超出橡膠圈厚度的一半,大约是0.5毫米。 

這些物件不同的尺寸在生產中也成為一個大問題。喬治說:「因為我們鑽的孔不止一個大小尺寸,所以生產的鑽孔蓋也需要適應不同大小。從設計的角度來講,更改一個尺寸不需要多少時間,但針對注塑成型的物件,每一個物件都需要開一個新的模。」

經過計算,研發團隊需要在十天内準備500個鑽孔蓋。如此緊迫的時間和特殊的需求基本上除了3D列印以外沒有其他生產方法。

在不確定AMRC内部能力的情況下,喬治一開始向三家外包服務公司諮詢了報價,但相比3D列印物件對此項目提供的價值,喬治認為外包服務公司報的價格遠超出了合理的範圍。

我随後聯繫了我們負責原型設計组的同事馬克·可英。我問他我們是否可能透過内部生產尋找解決方案。起初24小時内我並没有收到任何答覆。正當我開始坐立不安再考慮别的解決方案時,我收到了馬克的答覆,而且答案讓我難以置信。馬克回覆說 「有,而且我們已經完成了一半的生產」。

「24小時内完成250個蓋帽的製造。這樣的速度當時確實讓我感到驚訝」 喬治·史力斯AMRC工程項目經理。

 

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Tough 高韌性樹脂列印的孔蓋

 

「這不僅意味著我們能提早獲取物件並可以直接使用它們,而且给我們腾出了很多寶貴時間讓我們將精力集中在其他重要的環節上。」

 

最後,AMRC成功在48小時内列印了500個不同設計的孔蓋。同時,工程師們還透過3D列印將不同的幾何形狀實現在组裝工具上,使安裝流程也得以輕鬆快速地完成。

 

透過內部3D列印實現快速迭代

 

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比一般樹脂快约3至4倍的 Draft Resin 快速樹脂,可用於快速迭代

 

3D列印零件讓工程師們將不同的幾何形狀快速實現在组裝工具上,使安裝流程得以輕鬆快速地完成。

 

「工廠的工人們對於3D列印的組裝物件也相當滿意。組裝過程中列印的物件完全發揮了其設計目的,同時也没有工人回報有品質問題的情況。」

 

除了缩短交付周期和減少經濟成本,3D列印的另一個關鍵優勢是给團隊提供了靈活性。

 

「倘若原有的設計在測試過程中出現了瑕疵,我們能立即將問題反應到設計流程中並快速優化,而不再需要為了微小的修正將問題提出給外包服務公司,然後等待數周時間來得到結果。」

 

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3D列印中心及工作台,透過雲端(Dashboard)统一管理及合作使用

 

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