Témata
Reklama

Lisy s lineárními motory – možnost pružné výroby mikrosoučástí

Pohon beranu lineárními motory spojuje výhody mechanického a hydraulického řešení v jedné pohonné koncepci. Lineární motor nabízí vysoké rychlosti a zrychlení, podobné mechanickému pohonu, přičemž vytváří translační pohyb jako hydraulické lisy, který lze přenést přímo na nástroj.

V minulém vydání pokračoval náš seriál přednášek z česko-německé konference ČSVZP o moderním tváření plechu přednáškou Jense Baumgartena a kol. o FEM simulacích v tváření plechu. Dnes seriál uzavíráme přednáškou Rolanda Schneidera z ústavu Institut für ProduktionsTechnik und Umformmaschinen Technické univerzity Darmstadt o perspektivní koncepci stříhacích a tvářecích lisů s pohonem lineárními motory a dále prvním prototypem lisu, jenž se nyní nachází ve fázi ověřování. Přednostním nasazením má být výroba tvarově komplikovaných a přesných dílů z tenkých pásů pro mikrotechniku a mikroelektroniku. Redakce na závěr děkuje autorům a ČSVZP za souhlas k publikaci zkrácených verzí přednášek.
Použití nejmenších plechových součástí se už po léta zvyšuje zvláště v oborech elektrotechniky a jemné mechaniky. Příklady využití jsou základní desky mikročipů a konektorů a v jemné mechanice aktuátory, hodinové strojky a mikromechanické díly fotoaparátů. Spolu s pokračující miniaturizací stoupá geometrická složitost těchto plechových dílů.
Výrobním postupem je převážně stříhání spolu s dalšími postupy tváření, jako ohýbání, ražení a hluboké tažení. U současných lisů jsou všechny razicí moduly pro výrobu dílu integrovány v jednom nástroji. Z toho vyplývají nevýhody, především z důvodu nízké pružnosti a tuhé charakteristiky dráha-čas, jež je stejná pro všechny razicí moduly. Kromě toho jsou lisy dnes používané pro mikrosoučásti vzhledem k požadované lisovací síle značně předimenzovány.
Použitím malých modulárních stříhacích a tvářecích jednotek poháněných lineárními motory lze vyrábět složité díly s kroky optimálně přizpůsobenými jednotlivým tvářecím operacím a rychlostem. Pohony lisů s lineárními motory slučují výhody hydraulických a mechanických lisů. Umožňují přímý přenos síly na razník a velmi vysoké rychlosti a zrychlení při dodatečně přizpůsobitelné charakteristice dráha-čas. Modularita vzniká tím, že tvarování už neprobíhá v jediném nástroji, nýbrž v mnoha jednotlivých nástrojích, které jsou poháněny každý zvlášť lineárními motory.
S pomocí této koncepce stroje lze mimoto aplikovat různé jiné strojní výrobní technologie a tím realizovat in-line výrobní procesy pro výrobu výrobků jemné mechaniky a mikrotechniky.
Reklama
Reklama
Reklama

Úvod do problému

Použití malých plechových tvarových dílů v oblasti elektrotechniky a jemné mechaniky se vyskytuje již po léta hlavně v základových tělesech mikročipů a konektorů, v jemné mechanice jsou to aktuátory a hodinové strojky a v lékařské elektronice mikrotechnické díly. Od výrobků tvarových dílů se kromě zvyšujících se nároků na přesnost očekává i vysoká pružnost a spolehlivost.
Např. desky lead frames se v dnešní době až do počtu 208 razí mechanicky. Šířka vývodů a vzdálenost mezi vývody je cca 100 µm. Mikrospínače a kontakty s rozměry menšími než 100 µm se vyskytují hlavně u výrobků pro komunikační technologie, např. mobilních telefonů, nebo v senzorice pro automobilní techniku. Právě v oboru přenosných elektronických přístrojů trvá trend k výrobě ještě menších a lehčích výrobků. K tomu velmi přispívají tzv. pružné obvody, které lze montovat do malých pouzder. Tyto obvody sestávají z velmi tenké izolační nosné fólie a obvody jsou na ni natištěny. Kontura nosné fólie a otvory pro montáže elektronických prvků se provádí stříháním.
Stříhání fólií představuje v tomto kontextu velkou výzvu. Za prvé je přesný posuv tenkých a pružných fólií jen těžko realizovatelný konvenčními posuvy, za druhé vyžaduje materiál fólií nástroje s velmi malými řeznými spárami v mikrometrické oblasti, takže jen tak lze zabránit zatahování materiálu do řezné spáry. Lis pro výrobu ražených fólií vyžaduje pro ekonomickou výrobu vysoké počty zdvihů při nízkých lisovacích silách, vysokou míru přesnosti a vysoké rychlosti řezání.
V senzorice se mimoto nacházejí optoelektronické výrobky, jež musí být vyráběny a montovány s přesností na mikrometry. Optoelektronické mikromoduly lze však najít i přímo u spotřebitele masově vyráběných výrobků. Nejlepším příkladem jsou CD přehrávače a počítačová technika. Dalšími příklady mikrotechnických dílů jsou výrobky lékařské elektroniky. U výrobků lékařské elektroniky jsou především používány austenitické korozivzdorné materiály, protože je zde vyžadována vysoká odolnost vůči korozi. Díly pro lékařskou techniku, jako jsou např. injekční jehly a filtry, jsou vyráběny ve velkých množstvích. Na základě uvedených příkladů zde pokračuje trend k miniaturizaci, spojený se současným zvyšováním geometrické složitosti těchto plechových dílů.
Potvrzuje se, že pro současné tvářecí operace lze vytvořit ideální průběh rychlost-dráha. Krokem k tomu jsou moderní jednotky s lisy s LM s malými modulárními stříhacími a tvářecími jednotkami a jejich zařazení za sebou s vytvořením výrobní linky, která zvýší pružnost a sníží podávací a seřizovací časy.

Lineární motory jako pohon tvářecích strojů

Pohon beranu lineárními motory spojuje výhody mechanického a hydraulického řešení v jedné pohonné koncepci. Lineární motor (LM) nabízí vysoké rychlosti a zrychlení podobné mechanickému pohonu, přičemž vytváří translační pohyb jako hydraulické lisy, který lze přenést přímo na nástroj. Díky přímému účinku pohonu nevznikají mimo hmotu hnacích jednotek žádné setrvačné hmoty, které by bránily vysoké dynamice a přesnosti. Principiálně má pohon LM vysokou statickou a dynamickou tuhost. Z těchto a řady dalších vlastností vyplývá, že lisy s LM mohou být jak silově, tak energeticky jako kladivo provozovány.
Jednoduchou modulární stavbou pohonné jednotky s LM umožňují lisy snadnou výměnu pohonné jednotky a vysokou pružnost ve vztahu k výrobě a výrobku. Zatímco u konvenčních lisů nastavení na jiné stříhací a tvářecí podmínky není možné nebo jen s vysokou pracností, je výměna pracovní jednotky u lisů s LM jednoduchá a rychlá.
Proti tomu stojí i nevýhody, které se musí u konstrukcí s LM vzít v úvahu. Protože se nenabízí oddělení zdroje síly a její spotřeby, může se příp. vyskytnout i větší vývin tepla v bezprostřední blízkosti nástroje, takže se musí počítat i s chladicím systémem. Mimoto způsobují velké, kolmo na směr posuvu působící síly namáhání stojanu stroje, které musí být zachyceny tomu odpovídající tuhou konstrukcí stroje. Stojan musí být ze stejných důvodů jako beran proveden velmi tuhý. Protože lisy s LM jsou koncipovány bez vyrovnání hmot, je stojan v horní úvrati nikoli nepodstatně zrychlován LM směrem nahoru, což znamená při jeho malé hmotnosti důkladné přichycení k podlaze.
K přípravě simulačního modelu byla reálná struktura beranu a stojanu převzata z CAD dat do FE programu ANSYS a převedena do diskrétních uzlů a prvků. Navazuje výpočet vlastních frekvencí a tvarů redukčním procesem podle Guyana.
Podle technických možností LM a požadavků nové koncepce pohonu a stroje je nutno vidět oblast nasazení nejprve ve výrobě malých a nejmenších plechových dílů. Největší na trhu dostupné LM dosahují lisovací síly max. 20 kN. Pro minidíly je to dostačující; dokonce se volí výrazně malé LM s malou hmotností, aby se dosáhlo vyšší dynamiky.

Koncepce lisů s pohonem lineárními motory

Hlavním cílem projektu IPU TU Darmstadt byl vývoj stříhacího a tvářecího stroje modulárního řešení pro výrobu mikrotechnických dílů. Modularita stroje vyplývá v podstatě z toho, že u dosavadních strojů nevzniká tvar v jednom nástroji, ale postupně ve více nástrojích, poháněných více jednotkami. Bylo dosaženo standardizovaného stroje, který lze vybavit podle účelu použití. Beran je poháněn LM pro dosažení nejvyšší pružnosti ve vztahu ke kinematice a nabídce síly.
Na základě popsaných podmínek a s přihlédnutím k výrobně-technickým aspektům byl připraven koncept stroje a konstrukce prvního prototypu lisu s lineárními motory.

Shrnutí

Vezmeme-li za základ předkonstrukci a dimenzování provedené v ústavu Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen pro pohon lisu lineárními motory a vypracované koncepční varianty, pak je realizace popsaného lisu jak technicky možná, tak i ekonomická.
V rámci běžného výzkumného projektu byly zjištěny požadavky na novou koncepci stroje a dimenzování jeho skupin. První variantní řešení byla zkoumána pomocí numerické simulace ve vztahu k očekávanému statickému a dynamickému chování stroje. Na prvních prototypech byla provedena experimentální šetření, jež měla prokázat výkonnost koncepce stroje. V dalších šetřeních byl kladen důraz na kombinaci více razicích jednotek v kompletní výrobní lince. Konečným cílem jsou plug and play razicí jednotky, jež mohou být zařazeny do série v jakýchkoli výrobních linkách.
Ve shrnutí lze říci, že s pomocí této strojní koncepce bude možné v budoucnosti ekonomicky vyrábět stále složitější mikrotechnické plechové díly. Vzhledem ke stále se zkracujícím dobám životnosti výrobků by tato strojní technika měla umožnit především malým a středním podnikům vyrábět vysoce hodnotné mikrotechnické díly s co nejmenšími strojními časy a vysokou variabilitou tvarů.
Modulární razicí linky poháněné lineárními motory jsou zvláště pružné díky individuálně přizpůsobitelným rychlostem a drahám, libovolně nastavitelným zdvihovým výškám a posuvovým silám, jež jsou k dispozici po celé dráze, zvláště flexibilní. Pohonem každého nástrojového modulu vlastním beranem lze pro každou tvářecí operaci nastavit vždy optimální časovou charakteristiku pohybu.
Zde uvedené znalosti vedly k tomu, že lze v krátké době započít s mechanickou konstrukcí prvního prototypu. Při dodržení časového plánu běží experimenty pro zjištění skutečného chování stroje od října 2001. Prokáže-li se přitom dobrá shoda s výsledky simulace, pak v průběhu příštích 2 let za použití zde popsaných simulačních procesů budou lisy s lineárními motory zkonstruovány a zařazeny do výrobní linky.
Reklama
Vydání #4
Kód článku: 20408
Datum: 17. 04. 2002
Rubrika: Inovace / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Termomechanické zpracování

Globální svět s možností volného cestování a neomezeného přístupu k informacím s sebou přináší riziko chybných nebo nepřesných překladů odborných pojmů z jiných jazyků. Ve své praxi vysokoškolského lektora s předchozí zkušeností technologa se setkávám zejména v posledních letech se značným rozvolňováním odborných pojmů, které mohou vést až k matení odborné veřejnosti. V tomto příspěvku se pokusím stručně shrnout přehled a podstatu technologických postupů, označovaných v češtině pojmem termomechanické zpracování (TMZ, resp. TMP, z anglického thermomechanical processing, což odpovídá též pojmu thermo-mechanical treatment – TMT).

Optimalizace tvaru nástroje pro válcování

V současné době je velmi vyhledávaným strojem válcovačka typu ULS. A s rozvojem elektromobility se jeví velmi pravděpodobný požadavek na zvyšování produkce hřídelových součástí. Společnost Šmeral Brno se proto rozhodla inovovat a zlepšit nejen stroj ULS, ale i samotný proces tvorby nástrojů příčného klínového válcování (PKV).

Kapalina jako tvářecí medium

V dnešní době je stále více kladen důraz na sofistikovanost i ekonomickou efektivnost výrobních procesů. Současně je žádána výroba stále složitějších tvarů, vyplývajících především z designových návrhů lisovaných součástí, které dříve nebyly řešitelné jako např. výroba negativních tvarů, složitě prostorově i tvarově orientovaných trubkových dílců apod. V tomto případě lze s výhodou, namísto pevných konvenčních nástrojů, využít výrobní metody zaměřené na nepevné nástroje, jako je např. kapalina.

Související články
Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Vliv materiálu na kvalitu výlisku

Kvalita vstupního materiálu významně ovlivňuje výslednou kvalitu výlisku. Ověřování jeho vlastností je možné provádět různými zkouškami, mezi něž patří ověřování jeho mechanických vlastností či technologické zkoušky.

Co je nového v tvářecí technice

Oblast plošného tváření je dynamicky se rozvíjející segment výroby dílců z plechu. Mezi technologií a stroji byl v minulosti veden neustálý boj. Vždy se podařilo vyvinout technologii, která o kus dál posunula hranice zpracování těžko tvářitelných materiálů nebo tvarově složitých dílců. Velkou roli v tomto rozvoji technologií plošného tváření vždy hrál automobilový průmysl, který neustále zvyšoval požadavky na komplikovanější tvary v souvislosti s fantazií designérů.

Nová řada vysekávacích lisů kombinovaných s laserem

V souladu s tradicí soustavného rozvoje produktových řad uvedla společnost Prima Power na trh kompletní novou generaci servoelektrických vysekávacích lisů kombinovaných s laserem.

Metodika kompenzace odpružení u velkoplošných karosářských výlisků

Dnešní doba je charakterizována rychlou reakcí na akceschopnost a poptávku a klade vysoké požadavky na konečné nízké provozní náklady a vysokou kvalitu všech výrobků. V ideálním případě by měly být výlisky vyráběny bez defektů. Takto dokonalého stavu ovšem není možné zatím dosáhnout. Již v minulosti bylo řadou autorů popsáno početné množství defektů, u kterých se dnes ví, jaký přístup pro jejich predikci a eliminaci zvolit. Jedná se například o zvlnění materiálu, vyčerpání plasticity, iniciace trhliny, ztenčení materiálu aj.

Nekonvenční zpracování nové generace vysokopevných výkovků

Vysokopevnostní zušlechtěné výkovky se strukturou popuštěného martenzitu v současné době představují high-end skupinu kovárenských produktů. Díky nejnovějším poznatkům z oblasti fyzikálně-metalurgických dějů probíhajících v materiálu výkovků by skupina vysokopevnostních výkovků mohla být doplněna novou generací výkovků, jejichž struktura je tvořena nekonvenčním CFB (Carbide-Free bainitem) a QP martenzitem.

Požadavky na lisy a nástroje při výrobě převodovek

Stoupající požadavky na redukci CO2 ve výfukových plynech automobilů vedly k jejich narůstající hybridizaci a elektrifikaci. Z těchto důvodů se výrazně zvyšují nároky na plechové díly nejenom v konstrukci karoserií osobních automobilů, ale také v jejich pohonech. Jsou to především požadavky na kvalitu a rozměrovou přesnost. Zvyšuje se komplexnost těchto dílů, a proto také nabývají na významu nároky na tvářecí stroje a nástroje.

První krok od ohraňovacího lisu k servo-elektrické ohýbačce

Požadavky na trhu se mění a zpracovatelé stále více čelí situacím, kdy jsou velké série a objemy nahrazeny potřebouči poptávkou vyrábět malé série, navíc postavené na bázi just-in-time dodávek.

Trendy ve výrobě plochých polotovarů tvářených za tepla

Využití plechových dílů tvářených za tepla patří dnes již běžně k produkci karoserií osobních automobilů a od jejich prvního nasazení nás dělí bezmála dvacet let. Tento trvalý trend souvisí s požadavkem na maximální zužitkování pohonných hmot a s tím spojené i redukce samotné hmotnosti karoserie. Dalším aspektem jsou limity snižující objemy škodlivých exhalací při spalování paliva, které nutí dlouhodobě producenty osobních i užitkových vozidel hledat alternativní konstrukční řešení. Emisní limity nastavené Evropskou unií, platné od roku 2020, stanovují průměrnou emisi všech modelů v nabídce na 95 g CO2.km-1. To odpovídá spotřebě 3,54 litru nafty či 4,06 litru benzinu na sto kilometrů.

Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

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