Сократите затраты на 99%:как 3D-печать заменила муфту с ЧПУ стоимостью 110 долларов на композитную деталь за 1,05 доллара

От 110 до 1,05 доллара:что произойдет, когда в вашей мастерской появится 3D-принтер

Менеджер по производству с нулевым опытом аддитивного производства заменил муфту из нержавеющей стали, изготовленную на станке с ЧПУ, на композитную деталь, напечатанную на 3D-принтере, и провел ее стресс-тестирование в течение недели подряд. Он так и не вернулся в Бриджпорт. Вот что именно произошло и какие части вашего предприятия могут последовать этому примеру. 

Краткий обзор ключевых результатов 

• Снижение стоимости деталей на 99 %:110 долларов США → 1,05 доллара США за муфту.
• Нет признаков повреждения после одной недели непрерывного срабатывания (приблизительно 5 лет условного срока службы)
• Улучшенная геометрия детали:звездообразный профиль невозможно фрезеровать, его легко распечатать.
• Низкий риск отказа поля по сравнению с обработанным оригиналом.

3D-печать меняет культуру компании Air &Liquid Systems

Часть, с которой все началось

У Райана Венцлика была проблема, хорошо известная большинству руководителей производства:маленькая и сложная клапанная муфта, изготовить которую было кошмаром. Звездообразное сечение на Бриджпорте невозможно было разрезать. Вместо этого его команда обрабатывала квадратную аппроксимацию, регулярно ломала инструменты и платила за эту привилегию 110 долларов за деталь. 

Райан — менеджер по производству в Air &Liquid Systems, производителе OEM-оборудования в Мичигане, который производит теплообменники, системы удаления осадка и оборудование для фильтрации жидкостей для таких клиентов, как GM, Tesla и Ford. Его команда не имела опыта аддитивного производства, когда они представили свою первую машину. Через несколько недель эта муфта стоимостью 110 долларов превратилась в напечатанную композитную деталь стоимостью 1,05 доллара, которая подходит к клапану лучше, чем когда-либо оригинал.

Стоимость нашей детали снизилась со 110 долларов до 1,05 доллара. Мы были типа «святая корова».

– Райан Венцлик, руководитель производства, Air &Liquid Systems

Команда Райана не просто подсчитала цену и назвала это победой. Они вставили в клапаны две печатные муфты и эксплуатировали их при непрерывном приведении в действие в течение одной недели, что эквивалентно примерно пяти годам нормального срока службы. Когда они впоследствии разобрали детали, не было обнаружено ни заметного износа, ни деформации, ни каких-либо поломок. 

Этот тест убедил скептически настроенную команду. Если вы не знакомы с аддитивным производством, по умолчанию предполагается, что напечатанные детали — это прототипы, которые вы будете использовать для проверки соответствия, а не для производства. Неделя непрерывного механического воздействия на работающий клапан опровергла это предположение. 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. При оценке деталей, напечатанных на 3D-принтере для промышленного использования, ускоренные испытания на срок службы — непрерывное срабатывание, циклическая нагрузка или воздействие повышенных температур — более информативны, чем измерения статической прочности. Свобода геометрии аддитивного производства часто позволяет создавать конструкции, которые превосходят свои механические аналоги в реальных условиях эксплуатации, а не только при испытаниях на растяжение.

Почему эта часть была правильной первой целью

Не каждая обработанная деталь подходит для печати. Муфта Райана соответствовала нескольким критериям, которые сделали ее почти идеальной для первого производственного применения:

Фактор Версия из обработанной нержавеющей стали Комплексная версия для печати Стоимость единицы 110 долларов США 1,05 доллара США (снижение на 99 %) Точность геометрии Квадратная аппроксимация (ограничено инструментом) Профиль истинной звезды — функциональное улучшение Высокий износ инструмента Высокий — частые поломки концевой фрезы Нет — исключено Время оператора Требуется квалифицированный станок Печать без присмотра — освобождение от труда Риск сбоя на месте Выше — компромисс с геометрией Низкий — достигается оптимальная геометрия Настройка и замена Требуется фиксация, фиксация Повторное открытие файла, печать — минуты вместо часов

Ограничение геометрии было решающим фактором. Деталь, обработка которой требует больших затрат из-за сложной геометрии, почти всегда является хорошим кандидатом для печати, поскольку геометрические ограничения, затрудняющие фрезерование, часто облегчают печать. Внутренние каналы, звездчатые профили, органические формы и тонкостенная геометрия, превосходящая концевые фрезы, — это территория аддитивных технологий.

На какие детали в вашем магазине следует ориентироваться в первую очередь?

Основываясь на опыте Air &Liquid Systems, а также на закономерностях в аналогичных OEM- и производственных средах, эти категории деталей неизменно обеспечивают самый высокий уровень рентабельности инвестиций для раннего внедрения аддитивного производства: 

• Сложные мелкие механически обработанные детали: Детали с внутренними профилями, нестандартными поперечными сечениями или геометрией, для производства которых требуется несколько настроек станка. В данном случае связь является архетипом.
• Изготовленные пластины в сборе: Все, что включает в себя резку листовой заготовки, сверление, а затем сварку или крепление к кронштейну или конструктивному креплению.
• Фиксирующие зажимы и оборудование: Зажимы, зажимы и элементы крепления, которые покупаются оптом или изготавливаются в единичном экземпляре.
• Фитинги для жидкости низкого давления: Арматура клапанов, муфты и разъемы в системах, не требующих полной металлической герметизации. Композитные материалы работают в широком диапазоне жидких сред.
• Инструменты, приспособления и приспособления: Монтажные приспособления, направляющие для сверления и средства контроля. Для инструментов, не относящихся к продукту, проверочные испытания не требуются.
• Малосерийные нестандартные детали: Любая деталь, заказанная в количестве от 1 до 50 штук, где стоимость установки, минимальный объем заказа или время выполнения заказа делают традиционные закупки неэффективными.

Кривая обучения:проблема «нулевого знания»

На одну вещь стоит обратить внимание напрямую:у команды Райана не было опыта аддитивного производства до появления их первой машины. Никто из сотрудников не использовал САПР для 3D-печати. Никто не понимал параметры композитной печати или как проектировать детали для осаждения FFF. 

Это обычное дело. Большинство руководителей производства, оценивающих промышленную 3D-печать, исходят из одного и того же предположения:нам нужно будет кого-то нанять, или обучить в течение нескольких месяцев, или привлечь консультанта, прежде чем мы напечатаем что-нибудь полезное. Это предположение стоит оспорить, и команда Райана проверила его, отправившись прямо в Университет Маркфоргед, бесплатную онлайн-программу обучения аддитивному производству, прежде чем распаковывать машину.

Уроки были идеальными. Все было в точку. Для кого-то, кто ничего об этом не знает, мы выдержали это и подумали:ладно, давайте распакуем эту машину.

– Райан Венцлик, руководитель производства, Air &Liquid Systems

То, что описывает Райан, — это настоящая философия проектирования промышленных добавок:система должна эксплуатироваться людьми, которые управляют производством, а не только людьми, которые разрабатывают продукцию. Рабочий процесс станка и программного обеспечения построен на основе производственных приложений — сканируйте деталь, загружайте файл, задавайте структуру поддержки, печатайте. Опыт накапливается в процессе использования, а не во время занятий. 

Тем не менее, существуют реальные концепции аддитивного проектирования, которые значительно улучшают результаты:ориентация относительно слоев печати влияет на механические свойства; рисунок и плотность заполнения влияют на вес и прочность; Слои композитной арматуры размещаются там, где они будут нагружены. Ничто из этого не сложно выучить, но их стоит понять до начала проектирования серийных деталей, а не после.

Изменение культуры:из книги «Можем ли мы?» на «Что дальше?»

Сдвиг, который описывает Райан, от осторожного проверочного тестирования к команде, которая ходит по цеху и определяет кандидатов на печать, — это результат, который большинство производственных сред недооценивают при оценке аддитивного производства. Калькулятор рентабельности инвестиций учитывает стоимость деталей и трудозатраты. Он не отражает совокупный эффект рабочей силы, которая по-другому думает о производстве. 

В Air &Liquid культурный сдвиг проявился несколькими конкретными способами: 

• Проверка детали изменена. Вместо того, чтобы спрашивать:«Как нам это сделать?» инженеры начали задаваться вопросом, стоит ли вообще обрабатывать эту геометрию. Детали, которые всегда изготавливались определенным образом, были пересмотрены.
• Машина стала несущей. Райан описывает принтер как работающий «почти без перерыва» и «всегда приносящий деньги». Это совсем другое рабочее положение, чем у машины, которая простаивает между проектами исследований и разработок.
• Конкурентный паритет малого бизнеса. Райан формулирует это прямо:«Мы берем малый бизнес и делаем то же, что и все крупные парни». Для OEM-производителей, конкурирующих с более крупными предприятиями, производство нестандартных компонентов по требованию является значимым конкурентным преимуществом. 

ДЛЯ МЕНЕДЖЕРОВ ПРОИЗВОДСТВА Самый важный вопрос, который следует задать при оценке вашего первого применения добавок, — это не «что это может заменить?» Это «что мы сейчас делаем, из-за чего ломаются инструменты или что требует, чтобы квалифицированный станок стоял там часами?» Это ваша первая цель. Подтвердите эффективность, докажите экономическую эффективность, и культурный сдвиг, как правило, произойдет сам по себе.

Что на самом деле печатают воздушные и жидкостные системы

Помимо связи «звезда-профиль», команда Райана описала несколько других деталей, которые были переведены в печать во время их внедрения. Каждый из них следовал одной и той же логике:деталь, которая была дорогой, медленной или трудной для изготовления традиционными методами, и которую аддитивное производство справлялось без этих ограничений. 

Пластины в сборе: Первоначально производился путем заказа отдельных пластин, их высверливания, механической обработки соединительной детали и сварки сборки вместе. Команда Райана полностью заменила его одной операцией печати. Никакого крепления. Сертификат сварщика не требуется. Нет времени на выполнение заказа, кроме времени печати. 

Фиксаторы: Небольшая фурнитура, ранее заказанная оптом у поставщика или изготовленная в единичном экземпляре на токарном станке. Печатная версия была описана как «более надежная», поскольку с помощью печати можно создавать косынки, закругленные корни и оптимизированные поперечные сечения, что при использовании традиционного метода потребовало бы дополнительных операций обработки и затрат.

Распространенные вопросы от производственных групп

Могут ли детали, напечатанные на 3D-принтере, заменить металлические детали, обработанные на станках с ЧПУ, в производстве? Да, во многих заводских условиях. Ключевым моментом является выбор приложения. Детали со сложной геометрией, умеренными требованиями к нагрузке и отсутствием экстремальных температур или химического воздействия являются сильными кандидатами. Компания Air &Liquid Systems эксплуатировала печатную композитную муфту при непрерывном приведении в действие в течение одной недели, что соответствует примерно пяти годам эксплуатации, и не обнаружила никаких повреждений. Печатная версия также превзошла обработанный оригинал, поскольку в ней была достигнута спроектированная геометрия звездчатого профиля, которую невозможно было получить при фрезеровании. 

Что означает «композитный» в этом контексте? Это обычный FDM-пластик? 

Нет. При промышленной композитной 3D-печати непрерывные пряди армирующего волокна (углеродного волокна, стекловолокна или кевлара) встраиваются в термопластическую матрицу во время печати. В результате получается деталь, характеристики направленной прочности которой больше похожи на ламинированный композит, чем на термопласт. Для механических применений — кронштейнов, фитингов, несущих конструкций — это различие имеет большое значение. 

Сколько времени нужно, чтобы научиться печатать полезные детали заводского цеха? 

До окончания Университета Маркфоргед у Райана Венцлика не было опыта аддитивного производства, и вскоре после этого его команда начала печатать производственные детали. Для простых заменяемых деталей — замены геометрии обработанных компонентов — кривая обучения САПР и нарезке измеряется днями или неделями, а не месяцами. 

Как правильно проверить напечатанную деталь перед запуском ее в производство? 

Для структурных или механических применений ускоренные испытания на долговечность более информативны, чем только испытания на статическую прочность. Моделируйте фактическое состояние нагрузки — циклы срабатывания, вибрацию, давление, температуру — с ускорением. Для соединения «Воздух и жидкость» этапом проверки была одна неделя непрерывного срабатывания (около 5 лет службы). 

При каком объеме производства 3D-печать перестает иметь экономический смысл? 

Аддитивное производство обычно становится менее конкурентоспособным с точки зрения затрат при производстве от нескольких сотен до нескольких тысяч деталей в год для простой геометрии и остается конкурентоспособным при более высоких объемах для сложных деталей, обработка которых требует больших затрат. Предприятие, печатающее широкий ассортимент деталей малого и среднего объема во многих артикулах, может поддерживать высокий уровень использования и постоянную экономию.

Итог для заводских команд

Опыт Райана Венцлика в Air &Liquid Systems не является чем-то необычным, но он поучителен. Путь, по которому он пошел (определить болезненную обрабатываемую деталь → тщательно проверить производительность → расширить список других кандидатов → работать непрерывно) можно воспроизвести в большинстве OEM или производственных сред. 

Экономика одной только муфты — от 110 до 1,05 доллара — оправдала бы установку оборудования на большинстве предприятий, если бы эта часть работала в любом объеме. Но большую ценность представляет операционная позиция:машина работает непрерывно, команда, которая думает о производстве по-другому, и способность производить детали с геометрией, которую вообще невозможно достичь с помощью традиционной обработки. 

Заключительную фразу Райана стоит понимать буквально:«Трудно думать о нас без Markforged». Это не маркетинговый ход. Вот как это звучит, когда аддитивное производство переходит от эксперимента к инфраструктуре.

Все блоги и информация, содержащаяся в этих блогах, защищены авторским правом Markforged, Inc. и не могут быть скопированы, изменены или использованы каким-либо образом без нашего письменного разрешения. Наши блоги могут содержать наши знаки обслуживания или товарные знаки, а также знаки обслуживания наших аффилированных лиц. Использование вами наших блогов не дает вам никаких прав или лицензий на использование наших знаков обслуживания или товарных знаков без нашего предварительного разрешения. Подделанная информация, представленная в наших блогах, не должна рассматриваться как профессиональный совет. Мы не обязаны обновлять или исправлять блоги на основе новой информации, последующих событий или иным образом.

Никогда не пропустите ни одной статьи

Подпишитесь, чтобы получать новый контент Markforged на свой почтовый ящик