Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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

Další články

3D technologie
Inovace
Výzkum/ vývoj
Materiály konstrukční kovové
Nástroje pro obrábění / řezné materiály

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: