Guia Essencial para Projetar Dispositivos de Fixação e Posicionamento Eficazes

Dispositivos de fixação (jigs) são ferramentas que mantêm uma ferramenta de fabricação no lugar enquanto ela executa uma tarefa repetitiva, como furar ou roscar furos. Dispositivos de posicionamento (fixtures), por outro lado, não guiam uma ferramenta de fabricação, mas mantêm uma peça bruta firme em uma posição, orientação ou localização fixa. Um torno de bancada padrão é um exemplo doméstico comum de um dispositivo de posicionamento.

Diferenças à parte, tanto dispositivos de fixação quanto de posicionamento são ferramentas que fazem uma grande diferença. Eles aumentam a produtividade, melhoram a repetibilidade das peças, facilitam a montagem e desmontagem de peças, e até ajudam a criar um ambiente de trabalho seguro. Quase todos os processos industriais de fabricação automatizados dependem de dispositivos de fixação e posicionamento para construir consistentemente peças que funcionam corretamente. Engenheiros podem garantir que seus dispositivos sejam fortes e bem projetados mantendo estas considerações-chave em mente.

Fundamentos do design de dispositivos de fixação e posicionamento

A chave para fabricar dispositivos de fixação e posicionamento começa com a compreensão de como os graus de liberdade funcionam. Qualquer objeto no espaço tem seis graus de liberdade — cima/baixo, esquerda/direita, frente/trás, e a capacidade de rotacionar sobre 3 eixos (X, Y e Z). Um dispositivo de posicionamento bem projetado precisa restringir essas liberdades o máximo possível para manter a peça travada em posição, mas não tanto a ponto de a peça ficar super-restrita.

Super-restrição ocorre quando forças redundantes tentam fazer o mesmo trabalho e acabam trabalhando contraproducente. Uma cadeira de quatro pernas é um excelente exemplo disso — a quarta perna é mecanicamente desnecessária e causará balanço se a cadeira estiver em uma superfície irregular. Na melhor das hipóteses, forças super-restritas não terão efeito nos dispositivos, mas nos piores casos, resultam em má qualidade da peça e aumento do risco para o operador.

É essencial que engenheiros sejam precisos quando se trata de liberdades. Um design de dispositivo de posicionamento menos restrito é melhor para peças como fundições que têm um pouco mais de variação, enquanto um design mais restrito é melhor para peças usinadas por CNC ou moldadas por injeção com superfícies mais precisas.

Um design bem-sucedido de dispositivo de fixação e posicionamento leva em conta como a ferramenta operará, bem como como será operar a ferramenta. Cada aplicação será diferente, mas engenheiros devem sempre incorporar design centrado no humano em seus planos. Comece com estes cálculos fixos de design de dispositivos:

1. Sempre que possível, projete dispositivos de fixação e posicionamento para operação com uma mão. Dessa forma, operadores podem usar uma mão para segurar o dispositivo e a outra para posicionamento ou estabilização da peça.
2. Projete um dispositivo de fixação ou posicionamento que não precise de assistência humana para segurar uma peça durante operações secundárias.
3. Opte por geometrias que tornem erros de desalinhamento óbvios. Isso pode reduzir lesões no local de trabalho.
4. Considere como o dispositivo de fixação ou posicionamento se encaixará no fluxo de trabalho de produção geral.
5. Tente criar um design que use o menor número de etapas. Isso reduz tempos de ciclo e mantém movimentos repetitivos cansativos ao mínimo.

Dispositivos de fixação e posicionamento podem ser fabricados usando usinagem CNC e impressão 3D, mas, em geral, a impressão 3D oferece várias vantagens. Neste caso, a manufatura aditiva é mais barata e mais rápida que a usinagem CNC por uma ampla margem. Além disso, apenas a impressão 3D oferece aos engenheiros a flexibilidade de re-otimizar o design frequentemente.

Melhores práticas de fabricação para dispositivos de fixação e posicionamento

Dispositivos de fixação e posicionamento podem ser construídos usando materiais metálicos ou plásticos, mas o plástico tende a ser mais acessível e frequentemente atende a todos os requisitos de desempenho. Modelagem por deposição fundida (FDM) industrial, HP Multi Jet Fusion e Carbon Digital Light Synthesis (DLS) dão excelentes resultados, mas estereolitografia (SLA) e sinterização seletiva a laser (SLS) também podem ser boas opções. Para injeção rápida, termoplásticos de grau de engenharia podem facilmente produzir peças isotrópicas em alto volume.

Para dispositivos de fixação e posicionamento de alto desempenho e duráveis, mantenha estas melhores práticas de fabricação em mente:

1. A impressão 3D de dispositivos permite que equipes de produto aumentem a complexidade do design sem aumentar o custo da peça, então será vantajoso para designers aproveitar este princípio durante a fase de design. Considere quais funcionalidades adicionais podem ser incorporadas para melhorar o desempenho da peça.
2. Verifique a precisão dimensional do dispositivo usando ferramentas de metrologia e incorpore características de datum no design para facilitar inspeção e verificação.
3. Use nervuras e filetes para aumentar a rigidez.
4. Use inserts roscados de metal para aumentar a durabilidade.
5. Evite empenamento causado por resinas SLA afrouxando quaisquer parafusos e aliviando forças de fixação após operações secundárias serem concluídas.
6. Use molas para facilitar a ejeção.
7. Se fabricando via usinagem CNC, considere detritos no plano de design. Por exemplo, engenheiros podem deixar uma folga no dispositivo para permitir que rebarbas se formem sem interferir com a ferramenta. Minimize quaisquer pequenos vãos, ranhuras ou bolsões onde cavacos possam se expandir em cunhas.

Após o dispositivo de fixação ou posicionamento ter sido fabricado, ele deve ser validado para forma e função. Engenheiros devem comparar a ferramenta concluída contra o modelo CAD original para garantir que seja dimensionalmente sólida. Um dispositivo de posicionamento bem projetado suportará a peça e a manterá no lugar, uma vez aplicada a fixação, sem qualquer inclinação, curvatura ou deslocamento.

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Dispositivos de fixação e posicionamento são componentes essenciais de qualquer projeto de fabricação. Eles aumentam a produtividade, aceleram cronogramas de produção e permitem a produção de melhores peças. Como tal, é crítico que engenheiros façam o que for possível para tornar seus dispositivos o mais funcionais possível. Um parceiro de fabricação experiente pode ajudar.

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