Témata
Reklama

3D tisk kovů na Fakultě strojní VŠB-TU Ostrava

Aditivní technologie zasahují do různých výrobních oblastí, ať už se jedná o medicínu, automobilový, letecký, nebo kosmický průmysl. V souvislosti s rozšířením povědomí studentů Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava o laserovém spékání kovového prášku (SLM) byla navázána spolupráce s firmou Renishaw a na Fakultě strojní vznikla nová laboratoř aditivní výroby.

Výzkum a vývoj kovových prášků, generativní navrhování, aditivní výroba, experimentální činnost v oblasti 3D tisku z práškových kovů a vzdělávání studentů bakalářských a magisterských oborů jsou záměrem nově vybudované laboratoře aditivní výroby na Fakultě strojní. Ta totiž uzavřela dlouhodobou spolupráci s firmou Renishaw.

Společnost Renishaw pro účely vědy, výzkumu, vývoje a vzdělávání zapůjčila univerzitě stroj Renishaw AM400 pro výrobu prototypů technologií SLM (Selective Laser Melting). Aditivní výroba je víceoborová a rozšíří povědomí studentů o celé řadě souvisejících oborů, které zahrnují mj. druhy mechanických zkoušek, testování a zkoušení prototypů, kontrolu a měření, dokončovací operace obráběním a povrchové úpravy. Všechny tyto obory jsou nezbytné pro funkci a spolehlivost vyrobených prototypů. Spolupráce mezi odbornými asistenty a studenty tak povede napříč celou univerzitou.

Reklama
Reklama
Reklama

Proces aditivní výroby

Aditivní technologii lze charakterizovat jako víceoborovou. Ačkoli se na první pohled jedná o ucelené výrobní řešení, zahrnuje několik etap a procesů, které mohou do jisté míry ovlivnit finální podobu prototypů, jejich vyrobitelnost i výslednou cenovou kalkulaci. Žádná z dosud dostupných technologií aditivní výroby totiž nenahradí tu konvenční a s výrobou souvisejí časově náročné procesy.

Aditivní výroba se obecně skládá z několika různých výrobních procesů (obr. 1), z nichž jsou důležité tři základní oblasti:
• prášková metalurgie (vývoj, výroba a testování);
• předvýrobní a výrobní etapa (návrh součástí s ohledem na topologickou optimalizaci a bionickou konstrukci – tzv. generativní navrhování);
• postprocesing (tepelné zpracování, povrchové úpravy, dokončovací metoda a kontrola a měření).

Obr. 1. Proces aditivní výroby tvoří tři důležité oblasti: prášková metalurgie, předvýrobní část a postprocesing.

Topologická optimalizace

Topologická optimalizace je synonymem snižování hmotnosti dílů s ohledem na okrajové podmínky (pevnostní namáhání) a vyrobitelnost. Pokud se předpokládá výroba aditivní technologií (3D tiskem), můžete topologicky navrhnout i tzv. bionickou konstrukci. Takto jsou označovány díly a sestavy, za jejichž konstrukcí stojí náročné výpočty. Výsledkem bývají netechnicky působící tvary, připomínající zdánlivě biologické struktury. Jak taková struktura vypadá, lze vidět na obrázku 2. Vlevo je standardní konstrukční návrh vahadla (odlitek), vpravo návrh bionické konstrukce (výroba 3D tiskem).

Obr. 2. Optimalizaci je vhodné využít již v prvotní fázi konstrukčních či architektonických návrhů. Porovnání standardního návrhu vahadla (vlevo) a jeho bionické konstrukce s úsporou materiálu (hmotnosti) až 30 %. (Obrázek: Siemens PLM Software)

Technologičnost konstrukce

U každého prototypu určeného k výrobě 3D tiskem by měla být posouzena vhodnost tvaru. Není třeba si něco nalhávat, žádná z dostupných aditivních technologií – zejména 3D tisk kovů – zatím nedokáže vyrobit prototyp, který by splňoval vysoké nároky a požadavky na kvalitu i jakost povrchu a geometrickou přesnost. Optimalizované parametry 3D tisku dosahují geometrické přesnosti ±50 µm a parametr drsnosti Ra je zpravidla vyšší než 6 µm (např. u korozivzdorné oceli). Na řadu pak přicházejí dokončovací operace – tzv. postprocesing.

V případech, kdy je model navržen podle standardních konstrukčních zásad, nemusí odpovídat technologičnosti konstrukce modelů určených k výrobě 3D tiskem. Základními nedostatky modelů jsou ostré přechodové hrany, tenkostěnné plochy a malé nebo naopak příliš velké otvory. Takový model je nutné upravit, pokud to záměr návrhu dovolí a konstrukční změny neovlivní funkci dílu. Ostré hrany a přechody se nahrazují proměnlivým zaoblením, u tenkostěnných ploch je nutné zvětšit tloušťku.

Obr. 3. Prototypy vyrobené 3D tiskem kovů zpravidla vyžadují dokončovací operace (odstranění prototypu ze substrátu, odstranění podpor, obrábění funkčních ploch, broušení a leštění pohledových ploch atd.).

Bionické konstrukce eliminují tvorbu podpor

Pokud je díl topologicky optimalizován a upraven do tzv. bionické konstrukce, zpravidla není nutné vytvářet podpory. Bionická struktura je navržena tak, aby vytištěná vrstva byla současně podporou pro tisk další vrstvy. Tato podmínka platí za předpokladu, že je součást umístěna ve vhodné poloze na substrátu v pracovní komoře 3D tiskárny.

Na obrázku č. 4 je bionická konstrukce otvíráku, kterou topologicky navrhla společnost Renishaw. Pokud je otvírák umístěn ve vodorovné poloze, vyžaduje tisk podpor, které zanechají nežádoucí povrch. S tím souvisí i mnohdy nákladný a časově náročný postprocesing: obrábění, otryskávání, omílání, broušení, leštění atd. V opačném případě, je-li otvírák ve svislé poloze, bionická konstrukce dovolí vyrobit díl bez podpor. Ty jsou pouze ve spodní části, protože spojují substrát s prototypem.

Obr. 4. Vhodně umístěný model s bionickou konstrukcí na substrátu (vlevo) eliminuje počet podpor. Obrázek je pořízen v řešení QuantAM, který vyvíjí společnost Renishaw pro programování 3D tiskáren Renishaw AM.

Selektivní laserové tavení práškových kovů (Selective Laser Melting)

Selektivní laserové tavení práškových kovů je jednou z technologií prototypování kovových součástí. Zdrojem tepla pro tavení prášků jsou vysoce výkonný laser (CO2) nebo elektronový paprsek, které taví rovnoměrně nanesený prášek na základní desce (platformě). Velikost paprsku se pohybuje okolo 70 mikrometrů. Tloušťka vrstvy se pohybuje v rozmezí od 20 do 100 mikrometrů, volíme ji podle použitého práškového kovu.

Obr. 5. Porovnání průměru laserového paprsku s jinými subjekty.

Věda a výzkum na Fakultě strojní

Společnost Renishaw umožňuje na strojích testovat různé kovové prášky vyrobené vlastní cestou. Spolupráce se tak projeví hned v několika oblastech 3D tisku kovových prototypů. Mimo samotný 3D tisk součástí chce univerzita vyvíjet a testovat kovové prášky. Tisknout lze například slitiny titanu, hliníku, mědi a korozivzdornou nebo chromkobaltovou ocel. Fakulta dále otevře v následujícím akademickém roce nový předmět určený studentům navazujícího magisterského a doktorského studia. Již nyní však vyzývá zvídavé studenty, kteří mají o technologii zájem, aby laboratoř kontaktovali. Spolupráci nabízí i firmám, které mají potenciální zájem a přemýšlejí o využití výroby prototypů 3D tiskem kovů.

Předpokládaná vědecko-výzkumná činnost, rozvoj vzdělávání a oblast využití:

  • nové metody a technologie výroby práškových kovů;
  • vývoj a výroba nových práškových kovů;
  • materiálový výzkum práškových kovů;
  • testování mechanických vlastností;
  • metodika navrhování součástí určených k výrobě 3D tiskem (topologická optimalizace);
  • reverzní inženýrství;
  • snížení výrobních nákladů.

Laboratoř aditivní výroby, Fakulta strojní VŠB-TU Ostrava

Ing. Marek Pagáč, Ph.D.

marek.pagac@vsb.cz

www.3d-tisk-kovu.cz

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 170433
Datum: 12. 04. 2017
Rubrika: Monotematická příloha / Moderní výrobní technologie
Autor:
Firmy
Související články
Našimi „nerostnými surovinami“ musejí být mozky a know-how

K aktuálním problémům v oblasti výzkumu, experimentálního vývoje a inovací, efektivity jejího financování a implementace výsledků do praxe se v rozhovoru vyjadřují místopředseda vlády pro vědu, výzkum a inovace a předseda Rady pro výzkum, vývoj a inovace a Rady pro konkurenceschopnost a hospodářský růst MVDr. Pavel Bělobrádek, Ph.D., MPA, a předseda Technologické agentury ČR (TA ČR) Ing. Petr Očko, Ph.D.

Transfer znalostí do praxe podnikajícími akademiky v České republice

Stejnojmenná studie přináší první kvantitativní vhled do rozsahu a forem transferu znalostí skrze podnikatelské aktivity akademiků v České republice. Ukazuje, že čeští akademici se podnikatelským příležitostem rozhodně nevyhýbají. Zjištění kontrastují s rozšířeným povědomím o slabém podnikatelském duchu v akademické sféře formovaném statistikami o nízkém objemu prostředků vydávaných podnikatelskými subjekty na smluvní výzkum a nákup licencí od výzkumných organizací. Na základě těchto výsledků diskutujeme doporučení pro veřejnou politiku.

Podpora výzkumu, vývoje, inovací a podnikání pod jednou střechou

Technologické centrum Akademie věd ČR (TC) je organizací s již více než 20letou tradicí, která podporuje rozvoj inovačních firem a mezinárodní transfer technologií, zapojení českých výzkumných organizací do Evropského výzkumného prostoru a také disponuje specialisty pro strategické analýzy a studie v oblasti výzkumu, vývoje a inovací. Za dobu své existence pomohlo TC řadě firem s hledáním zahraničních obchodních partnerů, se vstupem na mezinárodní trhy a výzkumným organizacím se zapojením do mezinárodních výzkumných projektů. Jestliže jste návštěvníky Veletrhu Věda Výzkum Inovace, věříme, že následující řádky vám přinesou inspirativní čtení a třeba i motivaci nás na našem stánku oslovit, či alespoň sledovat naše aktivity.

Související články
Veletrh Věda Výzkum Inovace Nové místo pro propojení vědecko-výzkumné a aplikační sféry

Ve dnech 28. února až 2. března letošního roku se na brněnském výstavišti uskuteční 2. ročník Veletrhu Věda Výzkum Inovace. O zkušenosti s pořádáním tohoto veletrhu a o jeho smyslu pro odbornou a širokou veřejnost se s námi v rozhovoru podělil jeho manažer Ing. Martin Janča, Ph.D.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Výzkumné a vývojové technologie v Řeži jsou příležitostí pro český výzkum a prům

Centrum výzkumu Řež s.r.o. (CVŘ) je výzkumná organizace, která navazuje na tradici jaderného výzkumu v řežském údolí a rozšiřuje jej do oblastí nových technologií ve sféře základního i aplikovaného, tzv. předkomerčního výzkumu. Je provozovatelem dvou výzkumných reaktorů a celé řady technologií pro výzkum a vývoj v jaderné oblasti.

Vždy se snažíme konkurenci předběhnout

Špičkový výzkum a transfer high-tech technologií do medicínské, průmyslové a environmentální praxe s důrazem na mezinárodní spolupráci je hlavním cílem Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM), vědecko-výzkumného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.

Nové hodnocení výzkumných organizací

Poslední rok je jedním z ústředních témat výzkumné komunity konec platnosti metodiky hodnocení výzkumných organizací z roku 2013 a příprava nové metodiky hodnocení tzv. M2017+. Je pravda, že metodika 2013 přinesla výraznou devalvaci aplikovaného výzkumu, hlavně pokud jde o tvorbu aplikovaných výsledků.

Příprava pracovníků pro výrobu technologií vstřikování plastů

Následující příspěvek představuje jeden ze způsobů přípravy pracovníků ve firmách, jejichž hlavní pracovní náplní je technologie vstřikování plastů

Moderní hydraulické pohony ve výuce i v praxi

Na katedře hydromechaniky a hydraulických zařízení fakulty strojní Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava byl od akademického roku 2013–2014 otevřen nový obor navazujícího magisterského studia s názvem Hydraulika a pneumatika.

Kompozitní materiály z přírodních zdrojů

Veřejnost se stále více snaží být environmentálně odpovědnou. Ani napříč odvětvími průmyslu tomu není jinak. V oblasti kompozitních materiálů můžeme v posledních letech sledovat stále častější tendence využívat přírodní materiály jako náhradu konvenčních syntetických produktů. Roste poptávka po vláknech na rostlinné bázi (například vláknech ze lnu, konopí nebo sisalu) a tyto materiály získávají významný podíl na celkové produkci kompozitních výrobků.

Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

Je nutné stanovit diagnózu a následně zvolit léčbu

Bohdan Wojnar vždy razil zásadu, že je třeba si všechno řádně odpracovat a každý den zkusit udělat něco navíc. Nikdy se nebránil novým věcem, trpělivě se je učil a s potřebnou dávkou štěstí se pak dostával k zajímavým pracovním příležitostem. Během čtyřiceti profesních let ušel cestu od chemického inženýra, přes dlouhou kariérou ve Volkswagenu Slovakia ve financích a controllingu až po člena představenstva za oblast HR ve Škoda Auto. Toto je dle jeho slov výhodou velkého koncernu, kdy nemusíte zůstat na jednom místě, u jednoho oboru a v jedné zemi. Tyto zkušenosti mu poskytly velký profesní přehled, ze kterého vycházejí témata aktuálního otevíracího rozhovoru MM Průmyslového spektra.

Promluvy Štefana Kassaye: Sváteční gratulace ve znamení umělé inteligence

O průmyslových revolucích se toho již mnoho napsalo. Na toto téma jsme vyslechli na půdě Intercedu přednášku profesora Klause Mainzera, prezidenta Evropské akademie věd a umění, při příležitosti podepsání memoranda s vytyčením nosných bodů o šíření vědy a vzdělávání.

Role technické univerzity v udržitelné společnosti, Doc. Jiří Mašek, ČZU v Praze

Smyslem této série podcastů je představit současnou roli univerzity a hledat její skutečné postavení a poslání ve vztahu k vývoji konkurenceschopnosti tuzemské ekonomiky a společnosti jako takové. Hovoříme s rektory a děkany technických univerzit a fakult o jejich denní operativě, o realizaci dlouhodobé strategie, jejich pohledu na ukotvení vzdělávací instituce ve společnosti a dalších tématech. Tentokráte jsme o rozhovor požádali docenta Jiřího Maška, děkana Technické fakulty ČZU v Praze.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit