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使用 FDM 可溶性芯来制作复合零件

综述

复合零件是通过将模具、支架、模型、芯和心轴 上的多种材料和树脂系统组合缠绕、包裹、模铸和叠合在一起来制造的。 制作内部包含图案的中空复合零件可能是对制造业的巨大挑战。 一种克服这个难题的方法是使用蛤壳工具将两半叠合在一起(并粘合),或者从工具腔体的内部进行作业,叠合单个部件。

应用概述

过去,大多数使用蛤壳工具来制造中空复合零件的公司都使用计算机数控 (CNC) 机械从聚氨酯板来制作模型, 然后用模型来制造模具。这种方法的成本高昂,交付周期漫长,在雇佣转包商机加工模型时尤其如此。 出于这些原因,很多公司已经改为使用 Fused Deposition Modeling (FDM) 来制作模型。 FDM 技术是一种增材制造流程,可使用 CAD 文件的数据逐层构建塑料 零件。FDM 可以大大减少模型制作的时间并降低其成本,效果非常显著。

但即使改良了模型制作,制作中空复合模具的公司 仍面临着费时费力的流程。在制作出模型后,通常需要花费 大约三天来构建模具并使用该方法叠合零件。 通常这需要 12 到 15 小时的直接劳作,其余时间用于 固化。

通过将模具替换为 FDM 可溶性芯,这种新方法为小批量的生产 带来显著改进。 可溶性芯显著降低了交付 周期和人力开销,这是因为它消除了 制作模具的需求,并因此减少了 制作零件所需的时间。无需对两半模具进行费时费力的制作流程, 也无需制作每一半中的零件,更无需 将两半模具粘合起来,而可以直接用复合布包裹可溶性芯。 零件固化后,可以轻松将芯溶解掉。

增材制造的性质使得 FDM 可以制造出比其他芯材 更为复杂的几何形状。 在许多应用中,更大的设计自由度可以带来性能改善 和成本降低。FDM 可溶性芯 具有足够的强度,可承受 复合制造流程中的负荷。并且在抽取芯的过程中,没有损坏零件的风险, 这是因为只需浸入液池,芯就会被轻松地溶解掉。

流程综述

制造 FDM 可溶性芯需要对标准的 FDM 流程进行两处更改。首先,芯被设计为其内部结构大部分为中空。 其次,标准 FDM 零件中高强度的热塑塑料被替换为可溶性材料,这种材料通常用于构建 零件的支撑结构。可采用两种不同方式来设计芯。一种是创建固体 3D 模型,并使用稀疏填充方法,同时在 Insight(Fortus 构建准备软件) 中,自动创建一个芯内部体积最小的内部结构。 第二种方法是在 CAD 中创建一个内部结构,它在复合模铸的温度和压力下可以保持芯稳定,同时提高 溶液的流速,以加快芯的溶解。这两种方法都可以将材料消耗、构建时间以及冲洗时间削减至最低。

与在制造流程中集成 FDM 可溶性芯相比,它相对更简单。在复合固化和去除芯之前,无需对流程进行任何修改。 固化周期也不会改变,但必须限制温度以避免产生变形。 总而言之,带有 FDM 芯的复合零件必须在低于 250 °F (121 °C) 的温度以及 低于 50 psi (345 kPa) 的压力下进行固化。流程唯一需要改变的地方就是在复合零件固化之后,需要在溶液浴中溶解并去除芯。 为此,将零件放置在 Stratasys WaterWorks 可溶性支撑系统中。

客户案例

每次比赛后,Joe Gibbs Racing (JGR) 的工程师们都只有三天时间来分析 问题、寻找解决方案并实施方案, 之后赛车将被运往下一次比赛的地点。JGR 从概念到零件投产的能力 已经帮助它获得了三次锦标赛的胜利, 使其成为在 NASCAR 赛道上最具竞争力的队伍之一。

在某个星期天,一部 JGR 赛车上的轮胎漏气了, 工程师们确定问题出在 为轮胎提供冷却空气的导管出风口。 在过去,工程师们可能需要花费超过一个星期来开发新的导管出风口概念设计, 构建并评估 FDM 原型,使用 FDM 模型构建模具,然后叠合一个复合零件。 这个流程根本不可能在下一次比赛前制造出新的零件。

JGR 使用 FDM 可溶性芯来显著缩短重新设计导管和构建投产零件所需的时间。 在星期一,JGR 的一名工程师就设计出新的导管出风口,可以为轮胎边缘提供保持冷却所需的足够空气。 然后工程师可以在四小时内使用 Stratasys Fortus 系统构建出概念模型。 在对概念完成几次迭代并确认其适合安装到赛车上之后,工程师就制作了 FDM 可溶性芯。 最终,将碳纤维的零件叠合在复合芯上。 在零件固化后,将可溶性芯溶解掉。 新零件在星期三就已准备就绪,从而可以在赛车被运往下一次比赛的地点之前就在汽车上安装好。

对 JGR 而言,使用 FDM 可溶性芯与使用蛤壳工具相比有什么优点?


方法

成本

时间

人力

FDM 模型和蛤壳模具

USD $350

3 天

15 小时

FDM 可溶性芯

USD $90

1 天

2 小时

节省

USD $260 (74%)

2 天 (66%)

13 小时 (87%)

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