Témata

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.

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

Vydání #11&12
Kód článku: 201121
Datum: 09. 12. 2020
Rubrika: Výroba / 3D technologie
Autor:
Související články
MM Podcast: Glosa - Poselství Garcíovi

Jsou věci, které ovlivnit nemůžeme, avšak máme možnost se k nim svobodně postavit. Pokud tak ale činíme ve stresu a se strachem, negativní dopad to jen znásobí. Naopak, uvedeme-li se do klidu s vědomím své vnitřní síly, víry a odhodlání, vše se může nakonec vyvíjet úplně jinak. 

Technická podpora vždy po ruce

Prostřednictvím nové aplikace LiveTechPro nabízí společnost Ceratizit kompetentní okamžitou technickou podporu i v období místního a národního lockdownu vyvolaného pandemií covid-19.

Názorové fórum odborníků

Výzkum a vývoj v oblasti řezných nástrojů podle doc. Jany Petrů z Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě (www.mmspektrum.com/200519) mj. dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování a konstrukce nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL.
Zabývá se těmito trendy také vaše společnost? Naleznou uživatelé výše popsané inovace ve vašich produktových portfoliích? Uveďte příklad.

Související články
Další krok k bezobslužné výrobě

Studie čínské univerzity Beihang, publikovaná v časopise International Journal of Production Research, přímo spojuje prediktivní údržbu s kvalitou výrobků. Jak je však pro výrobce tato dosahovaná prediktivita a vynikající kvalita u operací využívaných při soustružení oceli slučitelná se snižováním počtu pracovníků na dílenských pracovištích nebo s bezobslužnou výrobou? Článek objasňuje důvody, proč jsou pro kvalitu obráběných součástí nezbytné vhodné nástroje ve spojení s procesy zabezpečenými proti selhání.

Související články
Abeceda komunikace (nejenom) pro strojaře, Část 1. Komunikace je jako mariáš

Člověk je tvor společenský a komunikace je jeho stěžejní dovednost. Komunikujeme proto, aby se něco stalo. Aby se naplnil náš záměr. Ať už chceme někoho pobavit, poučit, informovat, nebo přimět ke spolupráci, potřebujeme, aby nám rozuměl. Cílem úspěšné komunikace je dosáhnout určitého efektu. Aby se tak stalo, musíme použít správný obsah, formu, ale i správné načasování. Hranice mezi úspěchem a neúspěchem je velmi často daná právě (ne)schopností komunikovat. Ve spolupráci s odbornicí na strategickou komunikaci Mirkou Čejkovou pro vás připravujeme seriál, který, jak věříme, bude inspirací pro zlepšení vašich komunikačních dovedností.

Fórum výrobních průmyslníků

Jak se současná doba odráží nachodu vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a kompletace, tak ikaždodenního přístupu k zamezení šíření koronaviru mezi vašimi zaměstnanci. Dokážete vyčíslit náklady, které jste již do těchto opatření investovali?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak se současný způsob výuky odráží na studentech – na jejich osobnosti, přístupu ke studiu, k dosahování dílčích výsledků, na přípravě k finální části studia, k následujícímu profesnímu působení, ale i v sociální/osobní rovině vazby pedagog – student?

Pět principů pro zvýšení efektivity

Tork, spadající pod společnost Essity, uvádí na trh novou příručku představující princip „kaizen“. Díky němu mohou podniky zavést filozofii kontinuálních vylepšení.

Když je řemeslo posláním

V součinnosti se zákazníkem navrhovat nástroje s maximální hospodárností a produktivitou – to je cílem rodinné nástrojářské společnosti UniCut, jejíž produkty můžete najít ve výrobních firmách prakticky po celém světě. Její jednatel, Ing. Petr Inemann, s nímž jsme měli možnost hovořit, převzal vedení firmy po svém otci. Nezdědil však jen firmu, ale především, jak sám říká, lásku k řemeslu.

Abychom na změny zareagovali včas

Covid-19 je humanitární krize, která má bezprecedentní dopady na všechna průmyslová odvětví. Podniky stojí před novou výzvou, na kterou musí reagovat. Některé podniky tuto výzvu využijí ke svému rozvoji a expanzi, některé ji jen přežijí, a budou i takové, které zaniknou. První reakcí bývá zastavení všech investic, včetně investic do informačních technologií. A právě informační technologie ukážou, kdo bude vítězem, a kdo poraženým.

Firma a příroda mají k sobě blízko.
Více, než si myslíme.

Společnosti Fosfa je největším zpracovatelem žlutého fosforu v Evropě. Z něho pak vyrábí esenciální směsi zejména pro potravinářské i speciální průmyslové aplikace, které vyváží do více než 80 zemí světa. Vedle toho vyrábí také přírodní ekologické produkty, jako jsou přírodní prostředky péče o tělo i domácnost Feel Eco. Její záběr je ale širší, provozuje první českou vertikální farmu Feel Greens, ve které s pomocí hydroponie pěstuje microgreens, bylinky a saláty zcela bez jakýchkoliv pesticidů, GMO či růstových regulátorů.

Technologie pro mistry horkého tváření

Zavítáte-li do části města Olomouc s názvem Bystrovany, bezpochyby vás zaujme architektonicky velmi čistá budova, součástí jejíž fasády je velké plastické červené logo Weba. Když pak vejdete dovnitř, ohromí vás výrobní hala monumentálních rozměrů s množstvím sofistikovaných strojů různých značek – zejména pak značky Mazak. Od loňského roku mezi nimi můžete spatřit i automatickou obráběcí linku se dvěma stroji Mazak Variaxis 1050.

Hodinky, nebo číselníkové úchylkoměry?

Dnes nejspíše neexistuje strojírenská výroba, kde by se „hodinky“, jak je mnohdy toto měřidlo nazýváno, nepoužívaly. Stejně tak jako „šupléra“ –označující posuvné měřítko– se slangový název „hodinky“ dostal strojařům pod kůži tak, že při použití odborně správného výrazu – číselníkový úchylkoměr – často zaváhají, oč vlastně jde. Pojďme se tedy podívat na hodinky, které jsou nepostradatelným pomocníkem každého strojaře, ale čas měřit neumí.

Inovace podnikatelského modelu, Část 3. Inovační projekty

V našem seriálu vznikajícím ve spolupráci s partnerskou sítí Inovato vás krok po kroku provázíme klíčovými fázemi inovačního procesu v kontextu ekosystému doby a místa. Své zkušenosti vám předávají praktici, kteří mají za sebou mnoho inovačních projektů s tržně úspěšnými výsledky. Přijměte naše pozvání do edukačních eventů.

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