金屬加工公司使用高強度10K樹脂3D列印焊接夾具
在金屬加工中，夾具等製造輔助工具對於確保精度、重複性和效率至關重要。然而，採用傳統方法製作夾具可能需要數週時間，成本高達 1000 美元以上，幾何形狀也受到限制。位於愛荷華州西南部的 Red Oak Fabrication 是一家機械加工廠，他們利用立體光刻（SLA）3D 列印技術，只需數小時即可生產客製化夾具，成本僅為 CNC 加工的十分之一，而且能夠製作複雜幾何形狀和有機形狀的夾具。
紅橡木製造公司生產鋼、不銹鋼和鋁製品。他們擅長精密等離子切割、雷射切割和水刀切割、數控加工、鋼材噴砂、粉末塗裝、鈑金成型和先進的機器人焊接。焊接，尤其是金屬惰性氣體保護焊（MIG 焊），是他們的主要業務之一，擁有 15 個手動焊接工位和 3 個自動化機器人焊接單元。
— 泰勒史密斯，紅橡製造公司繪圖與工程經理
在 3D 列印技術出現之前，Red Oak Fabrication 公司有兩種內部方法製作焊接夾具：
- 將鈑金零件組裝在一起：簡單且經濟實惠，但精度不高。
- 採用數控加工製造高品質金屬夾具，但成本高昂，交貨週期長。
這導致他們在需要快速交付的中小訂單方面處於劣勢。為了彌補這一缺口，他們引進了一台 Form 3L SLA 3D 列印機，可以在一天內列印精確且堅固的夾具和工裝，成本和時間比以往方法最多可節省 90%。
實現有機形狀和複雜幾何形狀
— 泰勒史密斯，紅橡製造公司繪圖與工程經理
數控加工會限制可製造夾具的幾何形狀。相比之下，3D 列印可以輕鬆實現各種有機幾何形狀。 SLA 3D 列印可用於建立複雜的內部結構，例如通道、倒扣和空心結構，並可實現壁厚約 2-3 毫米的精確複雜設計。此外，SLA 非常適合精細細節和光滑表面，這可以提高性能並降低成本。
這種幾何形狀複雜，呈現有機形態，加工難度很高。這台夾具已經完成了數千次焊接，至今仍能正常使用，只是由於長期靠近焊縫，顏色從白色變成了黑色。
3D 列印夾具：幾天內即可完成，成本僅為傳統方式的十分之一
設計和加工夾具所需的時間與最終生產零件的數量無關。對於紅橡木製造公司而言，生產中小型夾具和大型夾具所需的時間和成本都相同。
然而，Red Oak Fabrication 公司發現，借助 3D 列印技術，他們可以節省近 90% 的成本，並將夾俱生產的周轉時間從數月縮短至數天。此外，如果需要對設計進行更改，這些更改也可以輕鬆地實施並列印出來，既節省時間又能最大限度地降低成本。
焊接夾具成本分析
| 替代方法 | 內部 3D 列印 |
|---|---|
| 金屬 CNC 工具機自主加工 | Form 3L，Rigid 10K 樹脂 |
| 1000 美元 | 100 美元 |
| 數月 | 數天* |
*使用 Form 4L（Form 3L 的下一代產品），這些零件的列印時間將從幾天縮短到幾個小時。點擊此處了解更多關於 Form 4L 的資訊。
滿足生產需求的材料：Rigid 10K 樹脂
之字形夾具沿著管道焊接 20 根圓鋼，並且靠近焊縫放置，因此焊縫呈現黑色。
焊接作業的溫度通常高達數千攝氏度，這對聚合物模具來說是一個極具挑戰性的環境。因此，團隊選擇使用 Formlabs 推薦的 Rigid 10K 樹脂進行列印。這是一種剛性玻璃纖維增強材料，其熱變形溫度（HDT）為 238°C @ 0.45 MPa。
由於夾具不直接接觸焊縫，且加工時間僅約 10 秒，因此工具不會過度發熱。白色材料上會出現一些發黑現象，但這並不影響性能。此外，如果夾具損壞，只需幾個小時即可重新列印一個替代品。
90% 的焊接工作使用鋼材，少量使用鋁和不銹鋼。與金屬夾具不同，焊接時飛濺的熔融金屬形成的液態金屬顆粒（BB 彈）不會附著在 3D 列印的塑膠夾具上，這意味著 3D 列印夾具無需清洗。
注意：對於超音波焊接或點焊等低熱焊接工藝，可以使用尼龍 12 粉末在 Fuse 系列選擇性雷射燒結 (SLS) 3D 列印機上進行 3D 列印來製作夾具。
能夠勝任這項工作的夾具
在 Red Oak Fabrication，大多數個人焊接夾具每月使用超過 1000 次，而使用 Rigid 10K 樹脂 3D 列印的夾具能夠經受住頻繁使用。
這套直臂夾具由兩個小型 3D 列印零件組成，安裝在一塊鋼板上。其幾何形狀複雜，具有難以機械加工的有機形狀。此外，團隊需要在一天內完成這套工具的製作。儘管一些焊料不慎掉落在夾具上留下了痕跡，但它在完成約 2000 次焊接後仍然能夠正常使用。 
左圖為保護塞使用前，右圖為使用後。它們被放置在帶有磁鐵的鋼製半接頭內，用於在焊接管道時保護內螺紋。保護塞可防止銲渣進入半接頭內部，損壞螺紋。該夾具已進行了約 3000 次焊接，保護塞仍然有效。
開始 3D 列印夾具和工裝
3D 列印夾具為 Red Oak Fabrication 公司節省了時間和成本，同時也能生產 CNC 加工無法實現的複雜幾何形狀和有機形狀的夾具。 Formlabs Form 3L SLA 3D 列印機的大成型體積意味著 Red Oak Fabrication 公司可以一次列印大型夾具，也可以一次列印多個小型夾具，從而使多個焊接工位能夠同時開始工作。
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