Témata
Reklama

3D tištěná versus obráběná?

Cenu rektora TUL za kvalitní provedení získala loňská diplomová práce dnes již inženýra Adama Lukeho. Stejná práce se také umístila na druhém místě soutěže Společnosti pro obráběcí stroje o nejlepší obhájenou diplomovou práci.

O co v práci, která získala hned dvě prestižní ocenění, šlo, se dozvíme v tomto článku. Zabývá se porovnáním dvou prototypů zadní těhlice řízení pro studentskou formuli. Při návrhu obou dílů byly použity softwarové nástroje MKP a topologická optimalizace.

Pro jednu ze součástí byla zvolena výroba konvenčním frézováním, přičemž tvar musel být jednodušší. Topologický optimalizační software byl použit pro druhou variantu a součást byla navržena tak, aby materiál byl opravdu jen v místech přenosu zatížení.

Druhý díl byl vyroben pomocí 3D tisku (konkrétně SLM). Pro stanovení skutečné tuhosti obou prototypů byly provedeny nedestruktivní zátěžové testy. Srovnání technologie SLM s technologií frézování bylo provedeno na základě výsledků zkoušek a dalších aspektů, jako jsou výrobní náklady, výrobní časy apod. Závěr nám řekne, zda je technologie SLM vhodná pro přímou výrobu součástí, jako je např. zadní těhlice vozidla.

Reklama
Reklama

Úvod do topologie

Topologická optimalizace pracuje většinou na principu minimalizace objektivní funkce. Tou může být např. objem nebo hmotnost optimalizovaného dílce. Minimalizace se dociluje prostřednictvím designové proměnné, tedy hustoty elementů počáteční sítě, která představuje „obálku“ optimalizovaného tvaru. Výpočet se řídí okrajovými podmínkami, což jsou typicky zadaná maximální posunutí zvolených uzlů nebo maximální napětí. Tyto hodnoty poté vyhodnocuje na základě stejných principů, jakými pracuje MKP.

Stručně se dá proces optimalizace shrnout do následujících kroků:

  1. Tvorba modelu z konečně-prvkové sítě.
  2. Rozdělení sítě na pevnou a volnou část. Pevná část obsahuje elementy, do kterých optimalizace nebude zasahovat, tvar této části se tedy nezmění (červená). Naopak část s volnými elementy je ta, jejíž tvar se bude jednotlivými iteracemi během výpočtu měnit (modrá).
  3. Zavedení zatížení, vazeb a O.P., a spuštění výpočtu.
  4. Zamaskování elementů s hustotou pod zvolený práh (např. 60 %).
  5. Úprava optimalizovaného (tzv. organického) tvaru v CAD programu.
  6. MKP analýza upraveného optimalizovaného tvaru.
  7. Případná další optimalizace, např. optimalizace tvaru.

Jednotlivé kroky návrhu součásti s použitím TO (Zdroj Altair Engineering)

Úvod do 3D tisku kovů

Princip metody 3D tisku kovů Selective Laser Melting není založen na pouhém spékání kovových prášků, ale na jejich plném tavení. Díky tomu lze získat strukturu výsledného materiálu velmi podobnou struktuře materiálu u odlévání. V průběhu tisku je nanesena tenká vrstva kovového prášku na podkladovou desku a následně je laserem po jednotlivých trajektoriích tavena plocha (tvaru řezu) potřebná pro postupné utvoření finálního dílce. Zároveň je také budován podpůrný materiál, který je po dokončení nutné odstranit. Takto se proces vrstvu po vrstvě opakuje, dokud není vystavěn finální tvar dílce. Tento způsob výroby umožňuje vytvářet díly téměř jakéhokoliv tvaru.

Zařízení SLM 280 HL v laboratoři prototypových technologií a procesů CxI TUL

Z výše uvedeného vyplývá, že propojit topologickou optimalizaci a 3D tisk kovů je ideální postup. Lze tímto získat funkční díly o minimální hmotnosti při splnění pevnostních požadavků. Nabízí se též využití moderních materiálů, které jsou lehčí, avšak současně těžkoobrobitelné. Při 3D tisku se spotřebuje méně materiálu a současně vzniká méně odpadu než při třískovém obrábění. Tento postup je tedy současně ekologičtější.

Metody a experimenty

Pro návrh CAD modelu těhlice byl použit sofware CREO. Prvotní geometrie vycházela z modelu sestavy uložení levého zadního kola. První návrh vytvořil konstruktér dle své intuice s ohledem na způsob výroby frézováním. Následně byla provedena výpočtová analýza tohoto modelu pro zjištění maximálního napětí v sw Altair OptiStruct.

Návrh varianty sestavy těhlice pro frézování

K návrhu těhlice, která byla vyráběna 3D tiskem, se přistupovalo odlišně. Bylo využito nástroje topologické optimalizace. Vstupní CAD model je složen ze dvou částí. První je tzv. obálka, která ohraničuje pole optimalizované (volné) geometrie. Druhá část CAD modelu je pevná geometrie, která následně optimalizaci nepodléhá.Obálka tvoří maximální možný prostor, kam části těhlice mohou doléhat, aniž by kolidovala s ostatními díly vozu. Pevnou geometrií jsou místa uložení kulových čepů, ložisek náboje a brzdového třmenu.

Obálka volné geometrie (zelená) a pevná geometrie (zlatá)

Pro vlastní proces topologické optimalizace (opět využit sw Altair OptiStruct) bylo třeba vytvořit objemovou síť a zadat potřebné parametry výpočtu, kterých je v tomto případě mnohem více než pro předchozí analýzy MKP. Optimalizace byla ukončena po několika desítkách iterací z časových důvodů. V případě proběhnutí celého procesu topologické optimalizace se získá model s dvěma typy elementů. Elementy blížící se svou hustotou 0 a elementy blížící se svou hustotou 1. První se vyloučí a druhé dávají finální tvar, kde materiál je zachován jen v místech toku napětí.

Tvar topologicky optimalizované těhlice

Výroba dílů

Výroba frézované těhlice byla zajištěna externí firmou z materiálu EN AW 2024 a trvala zhruba 54 hodin. Výroba 3D tiskem se uskutečnila v Laboratoři prototypových technologií a procesů na Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace, výzkumného centra Technické univerzity v Liberci. Tisk proběhl na stroji SLM 280 HL z materiálu ALSi12, při tloušťce vrstvy 50 µm. Samotný tisk trval necelých 46 hodin. Po provedení nezbytných technologických operací (odstranění podpor, doobrobení funkčních ploch) byl díl hotov.

Vytištěná těhlice, včetně podpůrné konstrukce

Vyrobené prototypy byly podrobeny tzv. tříbodovému testu. Jedná se o jednoosé zatížení těhlice přes díry pro ložiska pomocí přípravku upnutého v horních čelistech trhačky, další dva přípravky sloužily jako podpěry umístěné na spodní desce trhačky. Zatěžování proběhlo v oblasti pružné deformace. Princip testu spočíval ve stlačení těhlice o předem určenou velikost (0,7 mm) a snímána byla silová odezva na tuto deformaci.

Zátěžový test frézované těhlice

Testy se potvrdilo očekávání, že těhlice z 3D tisku je, i přes horší materiál, díky sofistikovanější konstrukci tužší než frézovaná těhlice. Zajímavé také bylo, že průběh zatížení u frézované těhlice je téměř čistě lineární, zatímco průběh zatížení u těhlice z 3D tisku je spíše progresivní. Je to dáno nejspíše rozdílnou konstrukcí obou těhlic. Progresivitu zatížení u těhlice z 3D tisku způsobuje postupné zapojování jednotlivých žeber její konstrukce při zatěžování. Těhlice z 3D tisku je o 61,6 % tužší než těhlice frézovaná.

Porovnání výsledků testů

Pro zvětšení klikněte na tabulku

Výhody a nevýhody

Hlavní výhodou použití technologie SLM jsou rozhodně lepší mechanické vlastnosti dílu. I přesto, že je vyroben z „horšího“ materiálu, díl je tužší a lehčí než jeho frézovaný konkurent. Na tom má svůj podíl bezesporu i návrh konstrukce pomocí TO, jejíž potenciál se nejlépe využije právě v kombinaci s 3D tiskem. Při sofistikovanějších TO lze totiž dostat „organický tvar“, který jinak než za pomoci 3D tisku ani vyrobit nelze. Další výhodou je také o něco kratší doba výroby. Naopak hlavní nevýhodou metody SLM je cena výroby. Zatímco v oboru CNC obrábění je značná konkurence, a zadavatel tak dostává možnost cenu i dobu výroby do značné míry regulovat výběrem těch nejvýhodnějších nabídek, u výroby pomocí SLM je často nucen sáhnout po nabídce za jakoukoliv cenu. Firem, které se touto technologií zabývají, je prozatím velmi málo, nemluvě o tom, že hodinová sazba stroje i režijní náklady s výrobou spojené jsou stále velmi vysoké. Mírně technologie zaostává také ve výrobní přesnosti dílů.

Výzkumná činnost popsaná v tomto článku byla řešena v rámci diplomové práce Ing. Adama Lukeho a byla z části financována účelovou podporou na specifický vysokoškolský výzkum v rámci studentské grantové soutěže TUL (Projekt 21130 – Výzkum a vývoj v oblasti 3D technologií, výrobních systémů a automatizace).
Poděkování patří i firmě Benteler ČR, v jejímž oddělení Chassis Design bylo studentovi umožněno využít výpočtové zázemí pro analýzy MKP a topologické optimalizace.

Technická univerzita v Liberci

Ing. Petr Zelený, Ph.D.
Ing. Adam Luke

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 180446
Datum: 11. 04. 2018
Rubrika: Servis / Technické školství
Autor:
Firmy
Související články
Studentská formule pro světové autodromy

Ve středu 22. května letošního roku se mohli příznivci rychlých aut zúčastnit slavnostního odhalení formule Vector 05, kterou sestavili studenti VŠB – Technické univerzity Ostrava. Cílem studentského týmu Formula TU Ostrava bylo postavit již pátý monopost konkurenceschopného závodního vozidla kategorie pro spalovací motory a získat zkušenosti ve využití standardních a nestandardních technologií, a samozřejmě vyhrát na mezinárodních závodech Formula Student.

Firmy oceňují studentskou mezioborovou spolupráci

Už po patnácté se na Západočeské univerzitě v Plzni uskutečnil ojedinělý výukový projekt DESING, v němž studenti z několika zdejších fakult pracují v multioborových týmech na tématech zadaných průmyslovými podniky. Vyvrcholením jeho, již 15. ročníku, byl jubilejní 10. mezinárodní workshop, který proběhl začátkem dubna ve Vědeckotechnickém parku Plzeň. Čtyři nejúspěšnější plzeňské a dva bavorské studentské týmy tu v anglicky vedených prezentacích představily návrhy svých technických produktů.

Česko-francouzskou cestou vzhůru

Kombinace magisterského titulu z oboru Industrial Engineering na VUT a inženýrského diplomu ze školy Arts et Métiers – to je dokonalý startovní můstek pro uplatnění ve špičkových zahraničních firmách. Pro brněnskou rodačku Pavlínu Trubačovou to byl začátek profesní cesty do CERNu.

Související články
Odborníci na 3D nerostou na stromech

Možnosti využití 3D modelování a 3D tisku existují snad ve všech oblastech průmyslové výroby. Ale aby bylo možné je v potřebném rozsahu skutečně využívat, musí existovat lidé, kteří s nimi umí dokonale pracovat. Proto jsou 3D modelování a 3D tisk zařazeny do výuky většiny (nejen) středních průmyslových škol. Ovšem – když dva dělají totéž, nebývá to totéž…

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
S moderními stroji k dokonalejšímu vzdělání

Mnoho učňů se stále ještě učí na soustruzích bez označení CE, které dnes již nejsou pro výuku vhodné. Také ve škole Eugen-Reintjes (ERS) v Hamelnu byly používány až do roku 2012 stroje z 80. let minulého století. Poté co se iniciativy chopil jeden učitel, disponuje dnes škola vysoce moderními, bezpečnými a přesnými soustruhy.

Partnerství k podpoře a zviditelnění strojařiny

Česká republika se v současné době nachází v celé řadě oblastí na rozcestí. K těm nejzásadnějším patří školství, které od roku 1990 prochází dramatickým vývojem a stále hledá svoji optimální cestu, bohužel s velmi často měněnými cílovými souřadnicemi. Základním úkolem vzdělávacího systému vždy bylo připravit jedince nejen na život, a to v čím dál složitějším prostředí, ale jasnou součástí tohoto úkolu musí být u vysokých a středních škol – s podporou základních a mateřských – příprava na budoucí profesi s plnohodnotným a přínosným uplatněním na trhu práce.

Příklady táhnou aneb Mladí nechť jsou inspirací

Před dvěma lety jsme na stránkách MM Průmyslového spektra přinášeli rozhovory s úspěšnými absolventy technických škol, kteří našli uplatnění v zahraničí na zajímavých postech. Nyní se k této koncepci v rámci kampaně podpory technického vzdělávání vracíme a zaměříme se na tuzemské pozice.

Možnosti v prosperující firmě

Je na zaměstnanci, jak dokáže využít zavedený systém kariérního postupu a prosadit se třeba z pozice obráběče kovů na vyšší manažerský post, říká personalistka firmy Brück AM Drahomíra Smetáková.

Jak zvýšit motivaci pro studium a práci ve strojařině

V dnešním světě, kterému vládne technologický pokrok, dokážou v konkurenci obstát zejména ty země, které disponují dostatkem kvalitních technických odborníků. Zajistit kvalitní technické vzdělání adekvátnímu počtu mladých lidí nebyl v minulosti v České republice problém. Dnešní sociologické prognózy a demografický vývoj však naznačují opačný trend - podle statistik hrozí, že Česká republika bude již brzy čelit alarmujícímu nedostatku vysokoškolsky vzdělaných odborníků v technických oborech.

Na evropské trhy s finanční podporou

První celoevropsky významná akce v oblasti strojírenství a subdodavatelské branže se v příštím roce koná na lipském výstavišti v termínu 2. až 5. března: veletrhy Intec a Z 2021. Také a možná právě v současných obtížných časech zde čeští vystavovatelé a návštěvníci mohou navázat důležité obchodní kontakty a informovat se o nejnovějších trendech a vývoji v oboru. Vystavovatelé z Česka navíc se státní podporou.

Od vydavatelství po startupy

Jiří Hlavenka není pro mnoho lidí neznámou osobností. Jde o člověka, který stál u zrodu vyda-vatelství i nakladatelství Computer Press a později i u prvního interaktivního webu o počítačích a počítačových technologiích, kde se neznalci mnohdy dozvěděli i odpověď na svou otázku. Jiří Hlavenka se ale v současné době věnuje investování do projektů, které mají smysl, a tak jeho jméno figuruje především u webu Kiwi.com, který vám najde - třeba i na poslední chvíli - nejlepší a nejlevnější letecké spojení kamkoli. Někdy může let po více "mezidestinacích" sice trvat déle, ale vždy se můžete spolehnout na to, že doletíte tam, kam jste si vysnili nebo kam potřebujete dolétnout.

Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Nadnárodní společnost General Electric napříč všemi svými dceřinými společnostmi neustále prohlubuje obrovské know-how. Vlastní zkušenosti s vývojem aditivně vyráběných částí zejména pro potřeby leteckého průmyslu přesahující již dvě dekády daly podnět ke vzniku zákaznického centra. GE Additive otevřela v roce 2017 zákaznické centrum (Customer experience center – CEC) kousek od Mnichova, kde firmám nabízí pomoc s nelehkými začátky s aditivními technologiemi.

České obráběcí stroje stále splňují nejpřísnější parametry pro uplatnění

V červnu tohoto roku byl zvolen prezidentem Svazu strojírenské technologie Jan Rýdl ml. Mezi jeho priority patří návrat duálního vzdělávání do českého školství. Více chce také podpořit spolupráci firem s vysokými školami, prosazovat zájmy českých strojařů v zahraničí a ve státní správě. Rychlé tržní změny vnímá jako největší výzvu pro management všech firem.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

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