Témata

Akademie tváření: Počítačová podpora v technologických procesech

Přinášíme vám další díl naší Akademie, kterou pro vás ve spolupráci s odborníky Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT v Praze a technickými specialisty firmy Trumpf připravujeme již druhým rokem. V jednotlivých příspěvcích se postupně věnujeme konkrétní technologii/technologiím zpracování plechu, jež je/jsou představena/představeny jak po teoretické stránce, tak následně v konkrétních aplikacích na strojích Trumpf. Volba témat je v souladu s technickými možnostmi, které nabízejí stroje právě výše zmíněného výrobce, jež bezesporu představuje špičku v oboru, a proto se na ni i redakce při tvorbě Akademie tváření obrátila.

Tento článek je součástí seriálu:
Akademie tváření
Díly
František Tatíček

Vedoucí skupiny Tváření na FS ČVUT v Praze

Rádi přivítáme vaše připomínky jak ke koncepci seriálu, tak i k samotnému obsahu konkrétních příspěvků.

Za autorský kolektiv Roman Dvořák

roman.dvorak@mmspektrum.com

..............................

Rozvoj výpočetní techniky v posledních letech znamenal jeho průnik do řady lidských odvětví, výrobní technologie nevyjímaje. Moderní strojírenský průmysl si lze jen těžko představit bez počítačové podpory v oblasti konstrukčního návrhu dílu, systémů technologické přípravy výroby (TPV), ověření vyrobitelnosti apod.

Cílem počítačové podpory je obecně zvýšit produktivitu a kvalitu práce konstruktérů, technologů, nástrojařů, eliminovat manuální činnosti a plně využít potenciál, zkrátit průběžnou dobu návrhu technologického procesu a snížit náklady spojené s návrhovými procesy. Důležitou funkcí výpočetní techniky je uchovávat velké množství údajů a informací o aktuální výrobě a informačními toky provázat jednotlivé segmenty podniku.

Počítačovou podporu lze při zjednodušení a zaměření se na problematiku plošného tváření považovat za soubor počítačových programů pro konstrukci dílů, pevnostních výpočtů, návrhu výrobních nástrojů a technologie, ověření lisovatelnosti, ekonomické a kapacitní výpočty. Tyto systémy počítačové podpory lze členit na:

  • počítačově integrovanou výrobu (CIM - Computer Integrated Manufacturing);
  • konstrukční softwary (CAD - Computer Aided Design);
  • softwary pro systémy technologické přípravy výroby a plánování (CAPP - Computer Aided Process Planning);
  • simulační softwary - počítačová podpora inženýrských prací (CAE Computer Aided Engineering);
  • systémy řízení technologických procesů (CAM - Computer Aided Manufacturing);
  • systémy řízení kvality (CAQ - Computer Aided Quality) a další.
Systémy počítačové podpory v etapách výroby

Konstrukční systémy v plošném tváření

Pro návrh konstrukcí součástí vyráběných technologiemi plošného tváření se užívá standardních CAD systémů. Tyto softwary lze členit do souborů na skupiny malých, středních a velkých „CADů".

Skupina malých CAD systémů, někdy označovaná jako „CAD I. generace", umožňuje konstruovat zpravidla pouze ve  2D souřadném systému. Jsou to jednoduché programy určené pro tvorbu skic, nenáročných výkresových dokumentací apod. Neumožňují nám například sledovat vliv funkčních dvojic. Mezi softwary malých CADů patří například software AutoCAD LT.

Skupina středních CAD systémů (II. generace) tvoří rozhraní mezi malými a velkými CAD softwary. Umožňují nám vytvářet technickou dokumentaci a modelovat ve 2D i 3D souřadnicovém systému. Tyto programy mají otevřenou architekturu, což nám umožňuje spolupracovat s jinými aplikacemi. Představitelem středních CADů je například software MicroStation.

Poslední skupina tzv. velkých CADů patří k vrcholu užívaných konstrukčních systémů s přímou návazností na CAM a CAE. Umožňují nám vytvářet parametrické modelování, což znamená, že rozměry a další charakteristiky modelu nemusí být zadávány exaktně, ale mohou být definovány pomocí proměnných výrazů a rovnic, které spolu souvisejí a vzájemně interagují. Představitelem těchto systémů III. generace jsou například CATIA, Pro Engineer a další.  

V oblasti plošného tváření se setkáváme se všemi druhy konstrukčních CAD systémů, a to nejen v konstrukčním návrhu lisovaného dílu, ale také s nástroji, přípravky apod. Výstupem konstrukčního řešení by měla být příprava výkresové dokumentace, ověření kinematiky pohybu funkčních částí navrženého nástroje či přípravku, podklady pro další systémy, jako jsou například CAM systémy, projektové řešení (např. hledání maximálního využití materiálu) apod.

Počítačová podpora v oblasti technologické přípravy výroby

Počítačová podpora v oblasti technologické přípravy výroby (TPV) je zaměřena především na snižování časového rozmezí od návrhu konstrukce lisovaného dílu po jeho fyzickou realizaci a zahrnuje technicko-organizační opatření a činnosti vedoucí k přípravě výrobní, konstrukční, technologické a projektové dokumentace. Virtuální příprava technologického procesu nám pomáhá v odstranění potenciálních chyb v počátečních fázích přípravy technologického procesu, zjednodušuje práci konstruktéra a urychluje ji.

Ukázka digitální konstrukce nástroje pro technologie stříhání firmy FaM Tools

V oblastech plošného tváření se v rámci TPV uplatňují softwary, které napomáhají k rychlé konstrukci nástroje, definicím technologických parametrů, jako je rozvin součásti, definování tvaru přístřihu, výpočet střižných, tažných a ohybových sil, stanovení součinitele využití materiálu apod.

Důležitou oblastí, kde se prosazují softwary pro podporu TPV, je zejména problematika stanovení rozvinutého tvaru součásti. Softwary v tomto případě pracují na základě analytických a konečněprvkových metod, v rámci nichž lze posuzovat technologičnost rozvinu. Softwary nám umožňují sledovat možné defekty v oblastech výlisku již v době, kdy není známa konstrukce nástroje, a konstrukci nástroje lze podřídit technologickým podmínkám výroby (vícenásobné ohyby nebo tahy). Stanovit rozvinutý tvar součásti lze dnes i za pomoci konstrukčních CAD systémů, které nám však neumožňují sledovat technologičnost rozvinu.

Nedílnou součástí TPV je i konstrukční návrh výrobních nástrojů. V této oblasti se setkáváme se softwary s parametrickým modelováním a rozsáhlými databázemi normálií. Primární informací pro konstrukci nástroje je rozvinutý tvar součásti a požadovaný - finální - tvar. Z dílu rozvinutého do roviny lze rychle sestavit střižné pole ve 3D zobrazení. Většina komponentů se zpracovává ve vztahu k ose neutrálního vlákna. Výstupem je zpravidla kompletní nástrojová sestava včetně modelů jednotlivých desek střižného nástroje, modelů střižníků, ohybníků, vložek střižné desky a kusovník všech normálií, ze kterých se nástroj sestává.

Je nutné si uvědomit, že systémy TPV jsou poměrně složité s řadou dílčích podsystémů, které využívají společnou databázi. Důležitým předpokladem je funkce zpětných vazeb, které pomáhají v úzké spolupráci s okolím, např. s útvary řízení kvality, údržbou nástrojů, nákupem materiálu apod. 

Numerické modelování plošného tváření

Simulace výrobního procesu lze chápat jako experimentování s počítačovým modelem reálného systému. Numerické simulace v oblasti výrobních technologií nám umožňují sledovat a optimalizovat výrobní proces ve virtuální sféře a předcházet tak vzniku chyb, které by se mohly projevit až v oblasti realizace prototypu či finálního dílu. Takové postupy pochopitelně šetří čas a náklady při návrhu výrobního procesu.

Simulační softwary většinou pracují s metodami konečných prvků (FEM - Finite Element Method). Základní princip spočívá v rozdělení funkčních částí nástrojů, materiálu polotovarů (přístřihů) na elementární díly (konečnoprvkovou síť). Systém řeší matematickými modely vazby mezi jednotlivými prvky sítě za dodržení určitých podmínek, které nazýváme okrajové.

Hodnověrné závěry získané numerickými simulacemi musejí být podmíněny správným zadáváním vstupních dat (okrajových podmínek). Problematika zadávání těchto dat pro numerické simulace je značně široká. Mezi vstupní data potřebná pro numerické simulace plošného tváření patří geometrie činných ploch tažníku, tažnice, přidržovače, případně brzdicích drážek, geometrie, tloušťka přístřihu a orientace vůči směru válcování, kinematika procesu, definice kontaktních ploch a přidružených součinitelů tření, mechanické vlastnosti materiálu, numerické parametry úlohy a jiné.

Příklady analýzy několika typů odpružení pomocí numerických simulací

Výstupem simulačních softwarů je monitorování veličin, které charakterizují fyzikální změny v průběhu procesu, například sledujeme velikost napětí a deformací v tvářeném materiálu a tvářecím nástroji, deformační tok materiálu, velikost sil působících na tvářecí nástroj a další.

Na dnešním trhu se vyskytuje celá řada softwarů pro numerické simulace technologických procesů (tváření, slévání, svařování, crashové zkoušky apod.). Tyto softwary mají vesměs stejnou architekturu založenou na modulovém uspořádání:

  • databáze - jsou pomocným modulem pro sestavení úlohy. Jedná se o předdefinované mechanicko-fyzikální vlastnosti materiálu, technické údaje o používaných strojích apod.;
  • preprocesor - modul zajišťující vytvoření výpočtové úlohy. Vtomto modulu lze importovat data nástrojů a polotovarů, definovat výpočtové sítě, přiřadit fyzikální vlastnosti materiálu, nastavit kinematiku procesu apod.;
  • procesor (řešič) - modul zajišťující výpočet úloh;
  • postprocesor - slouží kvyvolání dat a analýze výsledků.

V oblasti plošného tváření se na tuzemském trhu objevují hlavně softwary PamStamp, AutoForm, LS Dyna a Stampack.

Zhodnocení

Moderní počítačové systémy jsou bezesporu důležitým pomocníkem při řešení problematiky v oblasti technologií plošného tváření. Je nutné si však uvědomit, že jde pouze o prostředek, který napomáhá v rozhodovacích procesech. Je mylné se domnívat, že získané výsledky jsou správné a reálné.

Poměrně často diskutovanou problematikou jsou náklady na pořízení licencí k systémům počítačové podpory. Přínosy i náklady se velmi liší případ od případu a nedají se předem jednoznačně určit, protože jsou odvislé od konkrétního projektu. Náklady na simulaci záleží i na tom, zda jde o první, pilotní projekt, či o opakovaný projekt. Ze zkušeností se ukazuje, že při včasném a správném nasazení simulace je možné dosáhnout přínosů několikanásobně vyšších, než jsou náklady s ní spojené. Kvalitativní faktory přitom mohou vést ještě k dalšímu výraznému zlepšení ekonomických výsledků.

Ing. František Tatíček

Ing. Tomáš Pilvousek

Ing. Martin Kubelka

ČVUT, FS v Praze

frantisek.Taticek@fs.cvut.cz

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO .  

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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