Témata
Reklama

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Vědecko-výzkumní pracovníci z Regionálního technologického institutu (RTI) při Západočeské univerzitě v Plzni spolupracovali se svými partnery z Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice a společností Advanced Engineering na vývoji výrazně odlehčeného tvaru frézy, který by si však zachoval dostatečnou tuhost standardního nástroje. Nižší hmotnost umožní změnou dynamických vlastností přispět ke zvýšení kinematiky a přesnosti obrábění a současně se rozšíří možnost použití daného nástroje na strojích.

Možnosti topologických optimalizací v oblasti frézování byly v začátcích projektu zkoumány na dvoubřitých frézách. První optimalizace probíhaly bez výrazných tvarových omezení a koncepty, které tyto optimalizace přinesly, byly z tvarového i pevnostního hlediska velmi zajímavé. Nicméně narážely na omezující faktory provozních podmínek. Zejména zachytávání obrobeného materiálu do záhybů optimalizovaného tvaru.

Další etapa projektu se tedy zaměřila na topologické optimalizace plnoobjemových fréz se zachováním vnější povrchové obálky. Takový přístup je umožněn pouze díky přednostem aditivní výroby. Jiným výrobním postupem by takové uzavřené tvary s jemnou vnitřní strukturou nebylo možné vyrobit.

Výpočtová část projektu byla zpracována pomocí softwarových nástrojů od společnosti Altair, především pak implicitního optimalizačního řešiče pro metodu konečných prvků Altair OptiStruct.

Reklama
Reklama
Výsledkem vývoje je odlehčený tvar frézy pomocí mřížkových žeber. (Zdroj: RTI)

Dutiny, žebra a kanálky uvnitř těla frézy

Po počátečních rámcových topologických optimalizacích pro získání přehledu o ideálním tvaru omezeném různými požadavky, včetně například vedení chladicích kanálků, přistoupil řešitelský tým k návrhu šesti dutin, jež byly uspořádány rotačně symetricky podle osy rotace frézy, a k jejich přepažení zpevňujícími mřížkovými žebry napomáhajícímu přenosu sil z vyměnitelných břitových destiček do středu frézy. Uvnitř stěn, rozdělujících jednotlivé dutiny, pak byly navrženy chladicí kanálky vedoucí chladicí médium k břitu nástroje ze strany čela a hřbetu vyměnitelné destičky.

Analýzou tohoto řešení bylo zjištěno, že trámky uvnitř zpevňující mřížky nejsou zatěžovány stejnou měrou, což vedlo k zesílení podélných trámků a zúžení příčných trámků, jak znázorňuje obrázek varianty B. Toho bylo dosaženo metodou tzv. size optimalizace, která má za cíl najít právě ideální rozměry zvolených částí konstrukce. Řešič Altair OptiStruct touto optimalizací dosáhl při 3% navýšení hmotnosti zvýšení tuhosti v radiálním i axiálním směru o celých 35 % a zároveň se podařilo o 30 % snížit maximální napětí.

V rámci dalších optimalizačních studií byl zkoumán potenciál tvarové změny vnější obálky. Konkrétně pak zesílení přechodu mezi upínací částí a hlavním kuželem. Toto však ukázalo, že zvýšení hmotnosti o další 4 % v tomto případě vede už jen ke změně směrů tuhosti, nikoliv však k dalším zlepšením sledovaných parametrů.
Při srovnání s variantou, jejíž celý vnitřní prostor vyplňovala pravidelná porézní trámčitá struktura, která byla předmětem zkoumání předchozích fází výzkumu, se ukázalo, že nové, konvenčnější řešení je ve většině parametrů výhodnější.

Možnosti topologických optimalizací v oblasti frézování byly v začátcích projektu zkoumány na dvoubřitých frézách. (Zdroj: RTI)Pro další fázi vývoje, na níž byly práce již zahájeny, vidí výzkumný tým potenciál především ve využití tzv. Lattice optimalizace pomocí Altair OptiStruct, která by umožnila automaticky zvolit ideální tloušťku jednotlivých trámků porézní trámčité struktury na základě jejich skutečného zatěžovaní, nebo tzv. size optimalizace ve stejném nástroji, která by umožnila obdobnou metodu aplikovat na představené varianty se zpevňujícími mřížkovými žebry.


Řez optimalizovanou frézou – varianta A. (Zdroj: RTI)

Inovativní řešení a výhody

Popsaný výzkumný projekt je jen jedním z příkladů, kdy optimalizační výpočetní technologie v kombinaci s 3D tiskem a zkušenostmi vědecko-výzkumných pracovníků mohou pomoci k nečekaně inovativním (dříve nepředstavitelným) řešením a výhodám.

V rámci téhož výzkumu byly strukturálně optimalizovány i jiné aplikace, mezi nimiž je možné jmenovat vzduchový píst nebo brzdový pedál. Úspěšné zvládnutí všech optimalizací záviselo z velké části na synergii know-how o aditivní kovové výrobě na straně RTI a zkušeností v oblasti simulací a strukturálních optimalizací na straně Advanced Engineering. Vše bylo maximálně podpořeno výzkumným týmem z Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice a jejich studiemi mechanických vlastností 3D tištěných materiálů, na základě čehož je možné věrohodně naladit výpočetní modely zohledňující směr tisku.

Řez optimalizovanou frézou – varianta B. (Zdroj: RTI)

Popisovaný výzkum byl proveden s podporou projektu TRIO FV30149.

Tomáš Čurda

Advanced engineernig

RTI při ZČU v Plzni

Reklama
Vydání #11&12
Kód článku: 201121
Datum: 09. 12. 2020
Rubrika: Výroba / 3D technologie
Autor:
Firmy
Související články
3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Související články
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
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
CIMT Peking, Část 2. Win Together

Podtitul veletrhu CIMT 2019 byl: 融合共赢 智造未来. Musíte uznat, že motto veletrhu je v této pro nás exotické podobě zahaleno značným tajemstvím. Dáte-li větu do automatického překladače, výsledná myšlenka zní: fúze a výhra. Jednoduchá slova, divný obsah - tento způsob nalezení významu věty opravdu není žádná výhra. Proto se o nápravu "ztráty v překladu" pokusíme v druhém vstupu z veletrhu, ve kterém se tentokrát podíváme i za technikou.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Perspektivy čínského draka

Již několik let vám pravidelně v tomto čase přinášíme reportáže ze dvou klíčových strojírenských veletrhů celého asijského kontinentu, které jsou určitým barometrem srovnání postupného vývoje čínských výrobců obráběcích strojů a komponent, ale i pohledem na zvolené marketingové strategie nadnárodních společností při jejich penetraci na zdejší čínský trh – největší a nejprogresivněji rostoucí na světě. V lichých letech se v Pekingu v dubnu koná veletrh CIMT (China International Machine Tool Show), v sudých přibližně ve shodné době pak v Šanghaji veletrh CCMT (China CNC Machine Tool Fair). Aktuální postřehy z každého dne veletrhu jsme přinášeli prostřednictvím redakčního portálu mmspekturm.com a sociální sítě facebook, s tradičním komplexnějším pohledem na veletrh a čínský komoditní trh jako takový přicházíme nyní.

Technologie roku 2018

Další z řady odborných seminářů společnosti Misan v jejím sídle v Lysé nad Labem s názvem Technologie roku 2018 se uskutečnil v únoru ve spolupráci se společností Tungaloy. Hlavními tématy byly automatizace výrobních procesů, monitorování a propojování výrobních strojů a systémů a představení nových výrobních zařízení, nástrojů a technologií, které pak byly následně předvedeny v praktické části semináře při ukázkách obrábění. Bonusem na semináři byla přítomnost chairmana a CEO Okuma Europe a Okuma America Corporation Takeshiho Yamamota a senior manažera z oddělení obchodu Okuma Europe Ralfa Baumanna, kteří poskytli MM Průmyslovému spektru exkluzivní rozhovor.

Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

EMO zrcadlem pokroku a inovací

Při příležitosti prezentace veletrhu EMO 2017 Hannover před evropskou novinářskou obcí se uskutečnilo i pražské zastavení. Zastoupení Deutsche Messe pro ČR zorganizovalo tiskovou konferenci, které se vedle generálního ředitele EMO Hannover Christopha Millera účastnil i tiskový mluvčí hannoverského veletržního komplexu Hartwig von Sass spolu s ředitelem českého svazu SST Ing. Paclíkem a předsedou Společnosti pro obráběcí stroje doktorem Smolíkem.

Moderní technologie v mechanice

Vyškovský výrobce teleskopických krytů, kapotáží a jiných výrobků z plechu firma Hestego společně se svojí sesterskou společností KSK Precise Motion, kuřimským výrobcem kuličkových šroubů, uspořádali pro své zákazníky a dealery z tuzemska i zahraničí Technický open house. Během třech dní se této akce zúčastnila celá řada návštěvníků z Německa, Rakouska, Švýcarska, Itálie, Turecka, Ruska, Polska a dalších zemí, kteří využili pozvání a nahlédli tzv. pod pokličku technického rozvoje a výroby samotné. Naše redakce byla též přítomna, a tak vám přinášíme malé poohlédnutí.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Vývoj v oblasti 3D tisku z kovu pokračuje

Již téměř před rokem představila společnost Kovosvit MAS v rámci tradičních zákaznických dnů stroj WeldPrint5X. Na zářijovém strojírenském veletrhu v Brně byla novinka, která kombinuje plnohodnotnou generickou technologii (navařování kovu) a plnohodnotnou subtraktivní technologii pomocí frézování až v pěti osách, oceněna Zlatou medailí. „Ocenění ještě zvýšilo motivaci celého týmu, který na vývoji technologie pracuje,“ říká Petr Heinrich, technický ředitel Kovosvitu MAS. A prozradil, že firma chystá další novinky v oblasti 3D tisku z kovu.

Customizace 3D tisku+ eMobilita = eBike

V loňském roce (viz. www.mmspektrum.com/170744) jsme přinesli rozhovor Jána Košturiaka s renomovaným slovenským designérem Patrikem Paulem. Rozprava se týkala 3D tištěného eBiku, jehož výjimečnost konstrukce spočívá v customizovaném řešení rozměrových a materiálových parametrů kola pro optimální potřeby jezdce.

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