對于制造商來說，在保持高質(zhì)量零件的同時最大限度地提高生產(chǎn)速度是成功的關(guān)鍵。
在本指南中，我們概述了在內(nèi)部創(chuàng)建有效的夾具、夾具和其他制造輔助工具背后的原則，重點(diǎn)是利用 3D 打印來降低成本、縮短開發(fā)時間并創(chuàng)建更高效的生產(chǎn)工作流程，從設(shè)計(jì)工程師到制造車間技術(shù)人員。
什么是夾具和固定裝置？
夾具和固定裝置是制造和裝配過程中用于固定、支撐、緊固或固定產(chǎn)品和設(shè)備的工具。
在最基本的形式中，夾具和夾具將零件固定在特定位置，同時承受來自二次操作的力，而不會使夾持的零件發(fā)生不可接受的偏轉(zhuǎn)、移動或旋轉(zhuǎn)。因此，它們是稱為制造輔助工具的更大工具組的一部分 manufacturing aids，因?yàn)樗鼈兛梢源龠M(jìn)、簡化或提高各種制造和裝配過程的效率。
夾具和固定裝置的區(qū)別
雖然夾具和固定裝置都用于與產(chǎn)品接觸并被稱為工件夾持裝置，但它們的用途確實(shí)略有不同：
1、夾具： 設(shè)計(jì)用于固定工件或產(chǎn)品的工具和裝置，同時還引導(dǎo)設(shè)備以確保正確對齊并避免誤導(dǎo)或損壞
2、固定裝置： 夾具、鉗口、虎鉗、卡盤、曲軸或其他將工件固定到位以在二次加工過程中固定工件的裝置
夾具和固定裝置通常都是定制的，以緊密匹配特定零件的獨(dú)特幾何形狀，對于夾具，也可以為設(shè)備定制。夾具和固定裝置通常用于焊接、鉆孔、成型或裝配等過程。
夾具或?qū)к壒潭üぜ?，并引?dǎo)在 Formlabs SLA 3D 打印機(jī)上以 Durable Resin 打印的刀具。
Dorman Products（右）用于加壓軟管測試和通過/禁止壓力計(jì)的測試夾具，使用灰色樹脂 Form 3 進(jìn)行 3D 打印 Grey Resin。
夾具和固定裝置的用途是什么
夾具和固定裝置用于許多不同類型的制造過程， 提高效率、解決問題并降低工廠車間的成本。制造商使用大型標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器進(jìn)行銑削、成型或機(jī)加工等重復(fù)工藝，但每種產(chǎn)品都不同。夾具和夾具是使一臺機(jī)器能夠?yàn)樵S多不同的產(chǎn)品工作的解決方案。
傳統(tǒng)上，許多設(shè)備制造商在他們的機(jī)器中提供制造輔助工具，但這些輔助工具通常是標(biāo)準(zhǔn)化的，以適應(yīng)一組假定的零件。標(biāo)準(zhǔn)化也適用于更重、笨重的金屬件，這些金屬件可能難以處理，并且它們可能不適合機(jī)器購買者將要創(chuàng)建的整個產(chǎn)品范圍。然后需要定制的夾具和固定裝置，以使機(jī)器即使在新產(chǎn)品和工藝出現(xiàn)時也能正常工作。
夾具和固定裝置的類型
夾具和夾具的類型與制造工藝和零件一樣多——每個夾具和夾具都旨在為特定零件執(zhí)行特定功能。它們可以像缸體一樣簡單，也可以像多部件曲軸一樣復(fù)雜。
以下是制造場景中常用的幾種夾具和夾具。這些夾具類型中的許多也可以用作固定裝置——也就是說，夾具可以引導(dǎo)設(shè)備，但也可能只是將零件固定到位。
| 夾具 |
固定裝置 |
| 成型夾具 | 軟鉗口夾具 |
| 加工夾具 | 夾 |
| 裝配夾具 | 顯示 |
| 噴漆/涂裝/后處理夾具 | 夾具 |
| 成型夾具 | 曲軸 |
夾具、固定裝置和替換零件都被認(rèn)為是制造輔助工具，可以在內(nèi)部高效且經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行 3D 打印，以減少停機(jī)時間并提高生產(chǎn)率。
如何制作自己的夾具和固定裝置
傳統(tǒng)上，夾具和夾具是模制、加工或銑削的，通常由最終使用它們的機(jī)器制造商制造。例如，鉆頭制造商可以制造和提供一系列鉆頭導(dǎo)向夾具以及鉆頭。盡管這些夾具或固定裝置可能適用于多個零件，但它們僅適用于一小部分產(chǎn)品，當(dāng)制造商擁有新產(chǎn)品或更改產(chǎn)品時，他們會不知所措。
由于這些限制，3D打印正在成為一種更廣泛使用的制造輔助工具的方法，例如夾具和fixtures. 3D打印的夾具和固定裝置可以按需和內(nèi)部制造，并且具有成本效益，可以小批量生產(chǎn)或用于定制應(yīng)用。
設(shè)計(jì)定制夾具和固定裝置
使用適當(dāng)?shù)臏y量工具和能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜幾何形狀（如 3D 打印）的制造方法，可以輕松設(shè)計(jì)定制夾具和固定裝置。首先，根據(jù) CAD 設(shè)計(jì)、卡尺測量或零件和設(shè)備的 3D 掃描在 CAD 中設(shè)計(jì)模型。您生成的設(shè)計(jì)可以是 3D 打印、加工或用作創(chuàng)建模具的母版。
設(shè)計(jì)定制夾具和夾具的最佳實(shí)踐
有幾種方法可以優(yōu)化定制夾具和夾具的設(shè)計(jì)流程，包括：
1、增加幾何復(fù)雜性： 3D 打印可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的特征，并添加數(shù)字、名稱、日期和其他相關(guān)信息，而無需額外費(fèi)用。
2、減少零件數(shù)量： 傳統(tǒng)上，多零件夾具和固定裝置的模制有一定程度的困難，但通?？梢砸惑w式 3D 打印，從而簡化了工作流程。
3、在設(shè)計(jì)中構(gòu)建基準(zhǔn)特征： 夾具和夾具包含理想化特征（例如完美的直角）使成品零件的檢測更容易、更準(zhǔn)確。
4、增強(qiáng)以提高剛性： 添加增強(qiáng)肋和圓角可提供額外的結(jié)構(gòu)，而不會顯著增加零件的成本或制造時間。
5、添加螺紋嵌件以提高耐用性： 在 3D 打印零件上添加螺紋嵌件或凹槽以在擰緊螺栓時約束螺母，從而提高 3D 打印夾具或夾具的耐用性。
6、留出余量以清除加工碎屑： 在夾具和夾具上添加凹槽、通道和圓角邊緣有助于在產(chǎn)生碎屑的減材過程中用于固定零件時輕松去除多余的材料。考慮用戶體驗(yàn)： 7、設(shè)計(jì)夾具或夾具，使其可以單手使用，輕松識別放置錯誤，并在沒有人工支持或交互的情況下固定零件。
典型的銑削和組裝的拐角定位器由三塊螺栓固定板組成，為切屑楔入創(chuàng)造了更多機(jī)會。
3D 打印拐角定位器的典型幾何形狀，具有緩和的邊緣、光滑的浮雕口袋和無接縫，所有這些都不會增加零件的成本。
定制夾具和固定裝置的材料
夾具和夾具可以由多種材料制成，并且通常使用與它們支持的工作流程相同的材料（并通過相同的工藝）制造。通常，制造商在內(nèi)部或通過外包供應(yīng)商生產(chǎn)金屬機(jī)床（盡管有時是POM（Delrin）或其他塑料）。加工需要昂貴的設(shè)備和熟練的勞動力來進(jìn)行 CAM 設(shè)置和機(jī)器操作。此外，大多數(shù)工具由多個零件組件組成，增加了復(fù)雜性。外包需要數(shù)周的交貨時間和高昂的成本。因此，生產(chǎn)此類定制和及時的工具可能具有挑戰(zhàn)性。然而，根據(jù)零件所承受的力，并不總是需要用金屬生產(chǎn)這些工具。
選擇材料時，請考慮成本、制造難易程度、交貨時間和結(jié)構(gòu)需求。各種塑料材料的定制夾具和固定裝置可以通過增材制造或通過更傳統(tǒng)的工藝（如銑削）制造。
Ashley Furniture 使用 3D 打印來取代機(jī)械車間的外包固定裝置，將其成本降低一半。
這些對準(zhǔn)銷在 Form 3 系列 SLA 打印機(jī)上打印，采用耐用樹脂打印，可快速將銷釘重新定位到簡單的網(wǎng)格工作上。
Koshi Kagaku Kogyo 的自動裝配機(jī)使用許多用 Fuse 1 SLS 3D 打印機(jī)打印的夾具和夾具。
增材制造塑料可以具有一系列材料特性，從較軟的硬度橡膠類材料（如 Formlabs的彈性 50A 樹脂 或 柔性 80A 樹脂 ）到堅(jiān)硬而堅(jiān)固的材料（如 PEEK、 Formlabs 剛性 10K 樹脂 或 Formlabs SLS 材料（ 如尼龍 12 粉末）。 等特種材料ESD 樹脂 具有獨(dú)特的優(yōu)勢，例如安全消散靜電放電，這對于電子組裝等應(yīng)用至關(guān)重要。
這一系列的材料選項(xiàng)使制造商能夠根據(jù)性能調(diào)整其設(shè)計(jì)或材料選擇，而不會使機(jī)加工或模制的助劑過時。增材制造的塑料夾具和固定裝置的交貨時間通常要短得多，并且可以在幾個小時內(nèi)在內(nèi)部制造。
金屬夾具和固定裝置仍應(yīng)用于高溫、負(fù)載非常重的應(yīng)用，或者通過數(shù)百或數(shù)千次重復(fù)保持工藝相同的應(yīng)用，這使得磨損和耐用性非常重要。金屬制造助劑比塑料更昂貴，交貨時間通常至少為兩周，而且更重且更不符合人體工程學(xué)。
定制夾具和固定裝置的制造方法
夾具和夾具通常需要小批量或單個零件。一種制造輔助工具通?？捎糜谝粋€過程的多次重復(fù)，或者它們對于不會重復(fù)的定制過程是必需的。根據(jù)所需的數(shù)量，大多數(shù)是通過銑削（一種從固體材料塊上雕刻零件的減材工藝）或通過增材制造（也稱為 3D 打?。┲圃斓?。這兩種工藝適用于高精度和定制的零件，并且通常比傳統(tǒng)的多步驟工藝（如成型）的交貨時間更短。
如果應(yīng)用需要夾具的金屬夾具，對于高熱或高力應(yīng)用，加工是合適的制造方法。然而，隨著 3D 打印技術(shù)在準(zhǔn)確性和材料可用性方面的進(jìn)步，它們提供了一種通常更實(shí)惠、更快的替代方案。在許多情況下，制造商可以依靠先進(jìn)的聚合物，如硬質(zhì) 10K 樹脂或尼龍粉末，用于以前僅使用金屬完成的夾具和固定裝置。
3D打印定制夾具和夾具
在過去的幾年里，高分辨率3D打印機(jī)變得更加實(shí)惠、更易于使用、更可靠。因此，現(xiàn)在更多的企業(yè)可以使用3D打印技術(shù)，但是在各種競爭的3D打印解決方案之間進(jìn)行選擇可能很困難。 閱讀本技術(shù)指南 ，比較三種最成熟的 3D 打印技術(shù)， 熔融沉積建模 （FDM）、 , 立體光刻 （SLA） 和 選擇性激光燒結(jié) （SLS）。 .
3D 打印夾具和固定裝置通常使用 FDM 制造，因?yàn)樗焖佟⒁子谑褂们页杀镜?。但是，SLA 和 SLS 更適合需要以下條件的制造輔助工具：
更高的分辨率、更好的精度和更光滑的表面光潔度
卓越的機(jī)械特性，如強(qiáng)度和耐久性
復(fù)雜設(shè)計(jì)
更高的通量
下表總結(jié)了在 3D 打印制造輔助工具的 SLA 或 SLS 之間進(jìn)行選擇的一些關(guān)鍵注意事項(xiàng)。查看 Formlabs 的深入 技術(shù)比較 ，了解更多詳情。
| SLA 3D 打印 - Form系列 | SLS 3D 打印 - Fuse1系列 |
|---|---|
| 精細(xì)的細(xì)節(jié)和光滑的表面光潔度 | 堅(jiān)固、穩(wěn)定、經(jīng)久耐用的工具 |
| 材料范圍更廣 | 無需支撐，更適合復(fù)雜設(shè)計(jì) |
| 更易于使用 | 更多的打印量 |
| 降低硬件成本 | 對于大型生產(chǎn)來說，成本效益更高 |
3D打印夾具和夾具的優(yōu)點(diǎn)
增材制造 （AM），也稱為 3D 打印，是一種強(qiáng)大的解決方案，可以快速、低成本地制造制造輔助工具in-house. 3D打印夾具和固定裝置是制造商更好地控制其供應(yīng)鏈、提高運(yùn)營效率、降低成本并減少錯誤、貨物損壞或浪費(fèi)的一種方式。
3D打印夾具和固定裝置的可訪問性
3D打印機(jī)可以購買并帶入內(nèi)部，間接成本或占地面積要求相對較低。像 FormlabsForm 3+ 這樣的桌面 3D 打印機(jī)具有廣泛的材料特性。臺式機(jī)器（如 FormlabsForm 3L SLA 3D 打印機(jī)）或工業(yè)功率激光燒結(jié)技術(shù)（如Fuse 系列 SLS 3D 打印機(jī)）的價格也很實(shí)惠，不需要許多傳統(tǒng)大型 3D 打印機(jī)的復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。
Form 3+ 是一款極具性價比的桌面 SLA 3D 打印機(jī)。
Fuse 系列 SLS 3D 打印機(jī)具有方便、直觀的工作流程、占地面積小且價格實(shí)惠。
更好地控制供應(yīng)鏈
在內(nèi)部擁有這些技術(shù)意味著負(fù)責(zé)一個過程（例如熱成型或噴漆）的員工可以輕松訪問3D打印技術(shù)來生產(chǎn)定制夾具或夾具。整個過程只需不到一天的時間，從而減少了停機(jī)時間，并幾乎立即改進(jìn)了工作流程。制造商控制著生產(chǎn)中涉及的更多元素，并且可以輕松確定定制夾具或夾具可以立即對工作流程產(chǎn)生積極影響的任何區(qū)域。
使用 3D 打印夾具和固定裝置減少損壞的貨物
3D打印是創(chuàng)建夾具和固定裝置的良好解決方案，可減少損壞的貨物或設(shè)備。傳統(tǒng)的工件夾具系統(tǒng)（如虎鉗和夾具）無法固定和支撐具有非常精細(xì)細(xì)節(jié)的非晶形狀或零件。如果使用它們，它們可能會因貼合不良或強(qiáng)行連接而造成損壞。例如，與由銑削的塑料或金屬塊制成的剛性夾具相比，定位用較軟硬度材料 3D 打印的夾具可能會減少裝配過程中的震動。
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