Úloha 3D tisku při vývoji kompaktních stavebních strojů

V novotou vonící budově vývojového centra mě přijal pan Dobroslav Rak, viceprezident pro inženýring pro oblast EMEA. „Historie výroby stavebních strojů v Dobříši začíná rokem 1995, kdy zde byla založena firma Superstav,“ uvádí mne do souvislostí pan Rak. „Ta zde vyráběla traktorové nakladače TLB určené pro americký trh.“ Výroba se slibně rozjela a mezitím se americká firma Bobcat, známý výrobce kompaktních stavebních strojů, začala poohlížet, jak by posílila svou globální působnost. V jejím hledáčku se ocitla právě firma Superstav, která měla jednak strategickou polohu uprostřed Evropy, v níž měl Bobcat dosud jen obchodní zastoupení, jednak zajímavý produkt vhodný pro rozšíření firemního portfolia. V roce 2001 došlo k akvizici a Bobcat se v Dobříši zabydlel. V roce 2007 zde otevřel nový závod, kde se vyrábějí nakladače a bagry, a současně s ním tréninkové centrum, kde se tuto techniku učí ovládat zákazníci z Evropy a Afriky.

Vývojové práce pro Bobcat byly v Dobříši zahájeny v roce 2003, kdy zde vzniklo Czech Development Center. „Pracovalo v něm tehdy 13 konstruktérů, management byl americký,“ vzpomíná pan Rak. V loňském roce bylo v sousedství nového výrobního závodu otevřeno moderní výzkumné a vývojové centrum, Innovation Center, které zahrnuje nejen oddělení konstrukce, ale i prototypovou dílnu a moderně vybavené zkušebny. „Dnes ve vývoji pracuje na 130 lidí. Máme na starosti vývoj celých stavebních strojů a jsme jedno z mála vývojových center, kde se konstruktéři účastní celého vývojového cyklu, od úvodního získávání poznatků od zákazníků a vypracování specifikace včetně ergonomické studie přes detailní konstrukci, výrobu prototypu až po zavádění do sériové výroby.“

V rámci detailní konstrukce je vypracován model stroje v Pro/Engineeru, přičemž se navrhne kinematika, instalace systémů, provedou se pevnostní výpočty, simulace proudění a chlazení, výpočet spolehlivosti, FMEA analýzy apod. Po výrobě prototypu následuje komplexní testování, kdy se ověřují vlastnosti výrobku, kontrolují se výkonové parametry, regulace, vibrace, hlučnost, bezpečnost atd. Práce na vývoji jednotlivých typů probíhá v rámci projektových týmů, jimž pomáhají specialisté na elektrotechniku, hydrauliku nebo výpočtáři. Při zavádění do výroby pak projektové týmy spolupracují na přípravě výrobních procesů a zavádění stroje do výroby.

Vývojové centrum je vybaveno moderními technologiemi, v hale najdeme například zkušebnu pro měření výkonů stroje, rozlehlou klimatickou komoru, dokončována je akustická komora a v době mé návštěvy byla v jedné z dílen zrovna instalována nová 3D tiskárna. Jelikož v hale vývojového centra také probíhá stavba prototypů, nechybí tu ani lakovna a další výrobní zařízení, stejně jako mycí box pro řádné očištění prototypu po provozních zkouškách v terénu.

Protože kvůli využití 3D tisku při vývoji nových strojů jsem vlastně přišel, vyptal jsem se na tuto oblast podrobněji. „Rapid prototyping využíváme ve fázi ověřování koncepčního návrhu,“ odpovídá pan Rak. „Díly pro nás dosud tiskla sesterská organizace v USA. Nyní jsme pořídili vlastní 3D tiskárnu Fortus 900mc od firmy Stratasys, na které lze tisknout plastové díly o velikosti až 900 x 900 x 600 mm.“

Rapid prototyping se používá v několika oblastech. Jednou z nich je ověření ergonomie operátorského pracoviště. V konstrukčním softwaru je sice provedena základní rozvaha a ověřeny dosahy a výhledy pro operátory malé i velké postavy, avšak praktické ověření na reálné maketě stroje (neboli na „mulách“, jak jim zde říkají) je prostě „k nezaplacení“. Díky možnosti praktického vyzkoušení lze navrhnout úpravy a zlepšení a „vypiplat“ tak stanoviště operátora již před stavbou prototypu stroje.

Další oblastí, kde se využívá dílů vytištěných na 3D tiskárně, je předběžné ověření vyrobitelnosti, resp. smontovatelnosti stroje. Současně je možné ověřit možnosti manipulace s těmito díly a prověřit ergonomii montážního pracoviště. Třetí oblast představuje údržba, kdy je prověřována proveditelnost servisních úkonů. Ověřuje se přitom snadnost přístupu a vyměnitelnost komponent. Konečně je možné pomocí rapid prototypingu ověřit funkcionalitu, resp. teoreticky navržené kinematické procesy.

Díky metodám rapid prototypingu je tak předem možné sestavit celý stroj a fyzicky si jej osahat. Komponenty, které jsou běžně dostupné, přitom samozřejmě není třeba tisknout. Maketa stroje tedy kombinuje dostupné reálné součásti s díly vytištěnými na 3D tiskárně.

Využití možností rapid prototypingu mi pan Rak ukázal na příkladu vývoje malého kompaktního rýpadla E20 s nulovým přesahem kabiny. Nulový přesah zde znamená, že kabina při otáčení stroje nesmí v žádném bodě přesáhnout šířku pásů. Přitom pracoviště obsluhy musí být dostatečně pohodlné s co nejprostornější kabinou a co nejširšími vstupními dveřmi. Aby toho mohlo být dosaženo, bylo nutné zaměřit se na konstrukci kabiny, kdy spalovací motor s hydraulickými čerpadly bylo nutné stěsnat do odlitku protizávaží tvořícího nosnou spodní část kabiny. Přitom bylo třeba zachovat dobrou přístupnost pro servis včetně možnosti snadné výměny a čištění různých filtrů. Současně byla řešena ergonomie pracoviště obsluhy se sedadlem nad motorem a postranním ovládacím panelem.

Důležitou roli zde hrál návrh tvaru odlitku protizávaží, aby vyhovoval všem výše uvedeným požadavkům i požadavkům na design stroje. Pro ověření byla na 3D tiskárně vytištěna maketa celého odlitku, základ stroje i celý operátorský prostor se všemi konzolami, ovládacím panelem a joysticky a dalšími potřebnými díly a smontována maketa stroje. Do ní byl rovněž nainstalován motor se všemi servisními prvky. Tímto způsobem byla ověřena jak ergonomie pracoviště, tak servisu – tj. přístupnost a vyměnitelnost komponentů. Současně byly ověřeny výrobní montážní postupy. Možnost montáže stroje z reálných komponent a dílů vytištěných na 3D tiskárně přináší možnost odladění konstrukce ještě před stavbou prvního prototypu, a tím i nemalé finanční úspory.

Podobné možnosti při vývoji poskytuje konstruktérům také virtuální realita. Zeptal jsem se tedy pana Raka, zda uvažovali i o této možnosti. „Virtuální realita je nákladná záležitost, s jejím využitím zde v Čechách počítáme výhledově v dalších fázích rozvoje našeho vývojového centra,“ odpovídá pan Rak. „Firma má další vývojové kapacity v USA a v Koreji a v rámci globální iniciativy se její využití zvažuje tak, aby přineslo maximální synergie z globálního pohledu.“

Závod Doosanu Bobcat v Dobříši vyrábí kolem padesáti strojů denně, 12 typů bagrů a 12 typů nakladačů. Ve vývojovém centru je přitom obvykle zkonstruován jeden nový typ ročně. Práce s díly vytištěnými na 3D tiskárně je pro zdejší konstruktéry denní realita.

Pavel Marek, Dobříš

Neoznačená fota: autor

pavel.marek@mmspektrum.com
www.bobcat.cz