Témata
Reklama

Rapid prototyping s podporou 3D tisku

Praktické využití 3D tisku v oblasti prototypové výroby je v dnešní době často zmiňované téma. Opakovaně se setkáváme s prezentací možností těchto pokrokových technologií, které mají být v budoucnu konkurencí konvenčním postupům. Často zmiňovaným konzervativním argumentem hovořícím proti inovativním technologiím jsou relativně vysoké pořizovací náklady. V následujícím článku představíme ve stručnosti projekt a motivaci využití 3D tisku v oblasti výroby kovových polotovarů s podporou 3D tisku metodou FDM (Fused Deposition Modeling).

Ve spolupráci s výrobcem obráběcích strojů TOS Varnsdorf byla navržena nová průmyslová varianta redundantního systému odměřování určeného pro kalibraci obráběcích strojů v šesti stupních volnosti. Základním předpokladem pro nový přístup je využití 3D tisku ve dvou rovinách. První představuje reálnou verifikaci konstrukce a montáže, druhá efektivní metodu pro výrobu prototypových odlitků. Skutečnost, že si v návrhu konstrukce můžeme dovolit přemýšlet o použití polotovaru odlitku i při malosériové výrobě, je pro výsledné uspořádání klíčovým kritériem.

K řešení nezachycených problémů disponují dnešní CAD softwary metodami pro sledování kolizí a mohou být vybaveny speciálními moduly například pro plánování trajektorií kabeláže. V praxi se však opakovaně ukazuje, že nejlepší řešení se bez reálného prototypu neobejdou.

Konstruované měřicí zařízení je redundantní systém čtyř vysoce precizních odměřovacích ramen, určený pro nasazení v reálném prostředí pracovního prostoru obráběcího stroje. Ramena se skládají z magneticky upevňované základny, tří rotačních vazeb s vysokými nároky na přesnost uložení, distančních kompozitových spojek a připojení prostřednictvím magnetického kulového kloubu. Rotační vazby jsou osazeny odměřováním Renishaw. Ve vřetenu stroje je upnut nosný kříž osazený čtyřmi připojovacími body (magnetickými kulovými klouby) pro připojení jednotlivých ramen. Celý systém umožňuje díky redundantnímu uspořádání ramen aplikaci matematické metody samokalibrace zařízení. Díky této metodě je možné postupné posouvání jednotlivých ramen v celém pracovním prostoru. Vyhodnocení takto získaných dat umožňuje sestavit popis prostorové chyby. Po zavedení kompenzace již známé chyby se tak významně zvýší pracovní přesnost stroje. Na obr. 1 je uvedeno zařízení ve vazbě na obráběcí stroj.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Koncept RedCaM – Quatro

Princip inovativního řešení

Konstrukce nové koncepce vychází ze zkušenosti s předchozí variantou, která předpokládala využití komerčně dostupných polotovarů. Tato skutečnost spolu s konvenční technologií výroby nutí konstruktéra ke značným kompromisům v úvahách o budoucím tvaru dílčích součástí. Pokud by se vydal směrem takřka neomezených technologických možností, dostane se dříve nebo později do situace, kdy jsou návrhy velmi komplikované a prostřednictvím konvenčních metod prakticky nevyrobitelné. Předvýrobní příprava a výroba samotná jsou natolik nákladné, že se v případě potřeby jakékoli změny ukazují jako ekonomicky nepřijatelné. Zeštíhlí-li naopak své požadavky na konstrukci, může to v důsledku vést k nesprávné funkci zařízení.

Inovace tedy vychází z předpokladu využití 3D tiskárny s metodou FDM nejenom v oblasti verifikace navržené konstrukce a montáže, ale také v jejím nasazení umožňujícím výrobu odlitků. Na obr. 2 je zobrazen původní konzervativní koncept s jednostranně uloženou rotační vazbou a díly vyrobenými z běžně dostupných polotovarů. Obr. 3 ukazuje nový koncept s předpokladem využití ABS (akrylonitril-butadien-styren) vytavitelného modelu při výrobě polotovarů. Na modelu je vidět oboustranné uložení rotačních vazeb, které značně přispívá k tuhosti celého systému a současně tak zvyšuje výslednou přesnost rotačního uložení.

Obr. 2. Původní koncept RedCaM – Quatro
Obr. 3. CAD návrh nového konceptu

První rovina nasazení 3D tisku se týká oblasti verifikace konstrukce a plánování postupu montáže. Některé díly, jako například osy rotace, bylo vzhledem k jejich charakteru (tloušťka stěny) vhodné nahradit konvenčně vyrobeným dílem. Ostatní díly byly odpovídajícím způsobem upraveny a vytištěny. V průběhu montáže bylo možné na vytištěných dílcích ověřit v běžném CAD návrhu nezahrnutelné skutečnosti, jako možnost odpovídajícího přístupu k hlavám šroubů při montáži atd. Teprve při manipulaci, sestavování a rozebírání jednotlivých sestav byla patrná nutnost odpovídajících přípravků a jim odpovídajících úprav. Jejich výroba a testy byly díky uplatnění 3D tisku dokonale operativní. Takto získané zkušenosti jsou bez výjimky nutné pro správnou montáž a fungování reálného zařízení.

Obr. 4. Díl s vloženými kovovými inserty

Zmíněná úprava modelů před jejich tiskem spočívala především ve volbě a přípravě vhodných insertů tak, aby bylo možné po samotném tisku touto metodou jednotlivé díly smontovat do finálního sestavení. Na obr. 4 je znázorněn příklad integrace matic pro připojení prostřednictvím šroubového spoje. Další úpravy se týkaly především finalizace rozměrů a povrchů například pro správné uložení ložisek.

Obr. 5a, b, c. Navržené části konceptu RedCaM – Quatro

Na obr. 5 je znázorněna výsledná sestava ramena s použitím na 3D tiskárně vytištěných modelů z materiálu ABS. Jsou provedeny v kombinaci barev žlutá a šedá, černé díly jsou zhotoveny konvenčním způsobem. Na obou detailech (v pravé části) je patrná instalace reálného odměřování v sestavě kroužku a dvou měřicích hlav. Na spodním z obou detailů je vidět i signálová kabeláž vedená mezi dvěma díly s rotační vazbou.

Při porovnání staré a nové varianty můžeme již ve fázi návrhu charakterizovat hlavní oblasti přínosu možnosti využití 3D tisku ve čtyřech základních bodech:
1. Rameno vykazuje při zachování stejné celkové hmotnosti výrazně vyšší tuhost. Tato skutečnost má přímý vliv na hodnoty přesnosti.
2. Provedení umožňuje lepší integraci instalovaného odměřování. Citlivé části jsou umístěny uvnitř nosných dílců.
3. Rameno působí kompaktním dojmem, tomu napomáhá i možnost vedení nutné kabeláže vnitřní částí.
4. Na základě modelu byl ujasněn postup montáže a demontáže včetně specifikace k tomu potřebných přípravků a nářadí.

Druhá rovina nasazení 3D tisku zahrnuje technologii přípravy ABS modelu, která není nijak odlišná od běžných zvyklostí v lití metodou vytavitelného modelu. Jako materiál polotovaru rotačních částí byla zvolena hliníková slitina. Materiálovými vlastnostmi splnila požadavky na předpokládané silové zatížení při relativně nízké výsledné hmotnosti. Úprava modelu tedy zohlednila především smrštivost použité slitiny a dále musela akceptovat požadavky na minimální tloušťku stěn a žeber při jejich odpovídající výšce. V místech finálního obrábění byly přičteny doporučené přídavky a nakonec zaceleny menší otvory, u kterých byl požadován rozměr vázaný na finální obrobené plochy. Příklad postupné technologie výroby je v posloupnosti model z ABS, polotovar (odlitek), finální obrobený díl uveden na obr. 6.

Obr. 6. Postup výroby od modelu po obrobený díl

Na obr. 7 jsou jako příklad znázorněny dílčí polotovary určené pro jedno rameno společně se čtyřmi polotovary nosného kříže. Polotovary nosného kříže jsou odlity z oceli, neboť jejich hmotnost nespočívá na samotném zařízení. Ramena jsou prostřednictvím adaptéru upnuta ve vřeteni obráběcího stroje, které je dimenzováno na násobně větší zatížení. Výroba obdobných dílů konvenčním způsobem (frézováním z bloku materiálu) je až pětinásobně časově náročnější.

Obr. 7. Přehled odlitých dílů

Všechny fáze vývoje měřicího zařízení zavěšené na nosné testovací platformě jsou znázorněny na obr. 8. Rameno zcela vpravo reprezentuje původní koncept konstruovaný na základě konvenčního přístupu. Uprostřed je prototypový návrh nového konceptu sestavený z dílů z 80 % vytištěných na 3D tiskárně, pro tisk použitý materiál je ABS. Rameno s použitím plastových dílů je plně funkční a lze jím s omezenými možnostmi měřit. Vlevo je finální realizace jednoho ze čtyř ramen vyrobená za podpory vytavitelných modelů vytištěných z materiálu ABS. Toto provedení se osvědčilo v průmyslovém nasazení při měření pracovního prostoru stroje Grata firmy TOS Varnsdorf.

Obr. 8. Přehled jednotlivých fází vývoje na testovací platformě

Výhody, nevýhody a další vývoj inovativního řešení

Uvedený přístup zefektivnil a zkrátil celkový čas potřebný pro vývoj a výrobu zařízení. Hlavním přínosem je zvýšení přesnosti a zlepšení funkce celého zařízení. Neopomenutelným přínosem ve srovnání s původní variantou je snížení celkových nákladů o více než 30 %.

Představený koncept alternativního přístupu k nasazení odlitků zprostředkovaných vytavitelným modelem zhotoveným na 3D tiskárně může podstatným způsobem ovlivnit konstrukční postupy. Tato skutečnost se výrazně promítá především do oblasti kusové a malosériové výroby, kde přináší možnost nasazení technologie z ekonomického hlediska dříve nedostupné. Postup od návrhu přes vytištěný prototyp k finálnímu výrobku se podle rozsahu měří namísto měsíců na dny a týdny. Oblast využití je oborově široká a v současné době omezená především dostupností skutečně kvalitních 3D tiskáren a vhodně technologicky vybavených sléváren.

Jeden z hlavních problémů zatím zůstává ve vytavení ABS modelu, protože většina sléváren na území České republiky není vybavena odpovídající pecí, která zajišťuje odvod nebezpečných spalin do speciálních filtračních zařízení. Ostatní vzniklé problémy byly v rámci dlouhodobých zkušeností s FDM tiskem spíše procesního než technického charakteru.

V oblasti návrhu a konstrukce nových zařízení se tento postup osvědčil. V rámci projektu bylo testováno odlévání z hliníkové a železné slitiny. V budoucnu se předpokládá i možnost testů odlévání z dalších neželezných kovů.

Potenciál a výhody pro využití v průmyslu

V dnešní době se často setkáváme s pojmem 3D tisku ve spojení s různými metodami a materiály. Existují speciální 3D tiskárny, které umějí tisknout pískové formy určené právě pro slévače kovů. Často ale cena takového zařízení výrazně převyšuje reálnou poptávku po jeho technologii. Podobná situace je i u tiskáren určených pro spékání kovového prášku, tedy přímo produkujících kovové díly. Proto byl v rámci projektu výroby nové generace zařízení zvolen postup alternativního využití materiálu ABS metodou FDM jako náhrady běžných voskových modelů. Významnou předností je využití jediné 3D tiskárny současně pro tvorbu modelu budoucího zařízení a podporu při výrobě dílčích částí finálního výrobku. Potenciál spatřujeme především v obsažení dvou oblastí řešení jedinou instalovanou technologií.

Ing. Jan Koubek

RCMT, Fakulta strojní, ČVUT v Praze

J.Koubek@rcmt.cvut.cz

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 151021
Datum: 10. 09. 2015
Rubrika: Servis / Inovace
Autor:
Firmy
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.

Rodinné podnikání v přesné strojařině

Brněnská firma VKV Horák se zabývá konstrukcí, vývojem a výrobou přístrojové mechaniky, přípravků, jednoúčelových strojů, forem pro vstřikování plastů, lití polyuretanových dílů a vakuovému tváření plastů. S jejím zakladatelem, panem Zdeňkem Horákem, jsme si povídali o aspektech podnikání v českém prostředí, o vzdělávání, kvalitě škol, průmyslu budoucnosti.

Spjato s regiónem, otevřeno pro celý svět

Aktuálním tématem současné doby jsou diskuze o lokálních ekonomikách, jejich vlivu na inovační potenciál, vytváření firemní kultury a rozvoj podnikatelského prostředí. Jejím velkým zastáncem a propagátorem je profesor Milan Zelený. Učíme se od Baťů a jejich metody bychom měli s potřebnou modifikací upravovat pro naši dobu. Nedávno jsem měl možnost navštívit německého výrobce obráběcích strojů, společnost Hermle, která mojí optikou pohledu splňuje znaky lokální výroby s globální působností. Na každém kroku to bylo znát.

Související články
Letecký servis z Mošnova cílí na nové zákazníky

Letos na podzim získala česká opravna letadel v Mošnově licenci na servis tzv. wide-body (širokotrupých) letadel Airbus A330. Udělením této licence se jí otevírají dveře k novým zákazníkům především na Blízkém a Středním východě. Až do této doby prováděla Job Air Technic údržbu narrow-body (úzkotrupých) letadel Boeing 737 a Airbus A320. Díky své výhodné poloze uprostřed Evropy má zakázky zajištěné. Přesto ji na cestě v dalšímu rozvoji brzdí některé překážky.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Jak se stát leaderem ve výrobě důlního zařízení

Moravská společnost Ferrit, s. r. o., se za 25 let působení v těžařském průmyslu stala světovou firmou v projektování a výrobě důlní závěsné dopravy. Zároveň je průkopníkem v oblasti vývoje a výroby důlních akumulátorových lokomotiv a jako jediná na světě vyrábí speciální lokomotivu, tzv. lokobagr, pro údržbu a čištění kolejové tratě a prostoru kolem kolejiště v hlubinných šachtách. Jejich stroje pracují v uhelných a rudných dolech napříč všemi kontinenty.

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.

CIMT je v Číně, Čína je na CIMTu

Při letošním ročníku došlo na CIMT k významné změně. Evropští i američtí vystavovatelé byli přemístěni z hal tzv. západních do východních. Proč, to se mi nepodařilo zjistit. V reportáži před čtyřmi lety jsem umístění evropských a asijských firem popisoval s notnou nadsázkou, a tak si tuto změnu vysvětluji po svém – vystavovatelé si přečetli mé zpravodajství z výstaviště?. Také platí, že není pavilon jako pavilon. Standardy úklidu v halách, stravovacích prostorech, na toaletách byly v pavilonech, kde byla německá a švýcarská expozice, bližší evropským zemím než asijským. A o tom je jedna z čínských mentalit – jaké standardy mají být, ty jim musejí být ukázány, resp. nadiktovány či nařízeny.

Dvacet let ve výrobě ocelových konstrukcí

Moravská firma Motor Lučina je předním exportérem ocelových konstrukcí ve střední Evropě. Svůj úspěch majitelé postavili na zkušenostech z krize. „Rok 2010 byl pro nás nejhorší v historii firmy. V době celosvětové krize, kdy jsme bojovali o zachování firmy, jsme zjistili, že nás okrádá náš vlastní generální ředitel. Ztráty byly ohromné. Dnes, po letech, nám to paradoxně několik desítek milionů zase přineslo, jelikož jsme se poučili. Pro firmu není nic horšího, než když se ji dvacet let daří. Dokud nepoznáte dno, tak se od něho nemůžete odrazit,“ říká jeden z majitelů společnosti Motor Lučina Tomáš Polach, který se s redakcí MM Průmyslového spektra podělil o své zkušenosti s podnikáním.

Nastal čas změnit přístup, nastal čas změn 2. Řízení podnikových procesů

Žijeme v turbulentní době. To co bude zítra, už pravděpodobně bude vypadat jinak, než to, co bylo včera. Je to dáno různými aspekty, které však znamenají, že výrobní podniky nemohou mít vzorce chování odvozené na základě svých zkušeností z minulosti. Pokud chtějí firmy přežít, musejí se pokusit předvídat přání zákazníků, musejí být proaktivní a zejména musejí mít zaměstnance schopné inovovat a přebírat zodpovědnost za své činy a chování. V tomto seriálu budeme popisovat naše úvahy tímto směrem.

Těžká váha z Plzně v první třetině zápasu

Historie strojírenské výroby na Plzeňsku se datuje do poloviny 18. století, kdy byly položeny základy společnosti Škoda. Výroba prvních unikátních obráběcích strojů pro vlastní potřebu byla zahájena v roce 1911. Po první světové válce se pak začaly obráběcí stroje vyrábět pro tuzemské zákazníky i do zahraničí. V novodobé historii prošla firma celou řadou změn ve vlastnické struktuře, které bezesporu ovlivnily její současnou podobu. Škoda Machine Tool patří k lídrům trhu v oblasti výroby horizontek a horizontálních vyvrtávaček, aktuálně prochází významnými změnami k udržení si této pozice.

Partnerství ve strojírenství

Jak v osobní, tak i v obchodní sféře našeho života dochází k naplnění partnerského vztahu v okamžiku, kdy je zpečetěn určitou formou a dojde k dohodě mezi oběma stranami. Jedinec totiž těžko dosahuje svých cílů, pokud je nerealizuje ve vzájemné spolupráci. V byznys sféře pak výsledek ocení zákazník, který obdrží služby v globálním pojetí, jež mu přinesou ve firemním procesu celou řadu výhod a v důsledku tak zvýší jeho konkurenceschopnost. A takto efektivní je například spolupráce firmy WNT a jejích čtyř partnerů.

Kovový 3D tisk v průmyslové praxi

Výroba složitějších dílů technologií slévání či tváření a následným obráběním lze zvlášť ve fázi prototypování úspěšně nahradit technologií kovového 3D tisku. Šetří se čas, finance a v neposlední řadě lze získat konstrukčně složité díly, které by konvenčním způsobem nebylo prakticky možné vyrobit.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Rychle zpracovaný materiál

Pokud stejně jako kanadská firma Hyphen rozjíždíte provoz na výrobu prototypových komponentů, jednoduše nemůžete přehlížet požadavek nebo poptávku po kvalitně frézovaných a soustružených materiálech.

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