Témata
Reklama

Ultra lehké komponenty vyráběné 3D tiskem

V posledních letech se do širšího povědomí dostávají aditivní technologie, neboli 3D tisk, kde je součást tvořena přidáváním materiálu nikoliv jeho odebíráním, jako je tomu u klasického obrábění. Jejich využití je zkoumáno napříč nejrůznějšími obory od strojírenství přes architekturu až po medicínu a módu. Pokud se omezíme na 3D tisk kovů, zjistíme, že aditivní technologie jsou brány jako prostředek pro výrobu tvarově složitých a občas konvenčními způsoby zcela nevyrobitelných dílů. Jsou brány jako jakási ideální výrobní technologie pro výrobu čehokoliv. V posledních letech se navíc stále více skloňuje spojení aditivní technologie a topologické optimalizace, což je způsob návrhu tvaru dílu na základě matematické optimalizace. Jak lze tušit, navržený tvar je značně složitý a často bývá označován jako organický. Takové díly jsou údajně vhodné pro 3D tisk, ale není tomu tak. Ve většině případů je realita daleko prozaičtější. Použití aditivní technologie je pouze jediná možnost, jak takový díl vyrobit.

Topologická optimalizace se zabývá hledáním ideálního tvaru z hlediska požadavků na něj kladených. V praxi je to nástroj, který dává konstruktérovi představu o tom, jak nejlépe vytvarovat součást podle zatížení, tzn. aby byla co možná nejlehčí, ale dostatečně pevná, zaručila jisté vlastní frekvence, nebo například vhodně vedla teplo. První základy použití optimalizace při návrhu jsou více než 110 let staré a týkaly se pravidel pro navrhování lehkých (a levných) příhradových konstrukcí. Do praxe se optimalizace tvaru dílů (nikoliv ještě topologická) dostala až v 60. a 70. letech minulého století v letectví. Její současná podoba a rozmach nastaly na přelomu tisíciletí spolu s modernější výpočetní technikou a také příchodem vhodných výrobních technologií.

Reklama
Reklama
Příklad jemné BCC struktury (vlevo) a gyroidní struktury (vpravo)Tvary vzniklé topologickou optimalizací jsou zpravidla komplikované. Pokud je pro výrobu použita konvenční technologie, je nutné takový tvar vhodně upravit, aby byl vyrobitelný. A často jsou to změny zásadní. Je potřeba dbát na dostatek místa pro obráběcí nástroje, na možnost upnutí obrobku, popřípadě na volbu dělicí roviny v případě použití odlévání. Čím více je však tvar měněn, tím více se vzdaluje od matematicky ideálního tvaru a zpravidla roste hmotnost součásti.
Prototyp těhlice pro formuli Student optimalizovaný v programu solidThinking Inspire

Omezení v aditivní výrobě

Pokud se zvolí jako výrobní technologie 3D tisk, odpadá většina výše zmíněných nedostatků. Na druhou stranu vyvstávají nové. Hlavním přínosem je tvarová volnost aditivních technologií, kdy není žádný problém vyrábět složité plochy, vnitřní dutiny nebo komplikované sestavy jako jeden díl. Novým omezením je potřeba podpůrných struktur, které musejí být aplikovány na všechny plochy, které na díle svírají s podložkou úhel menší než kritický, což je zpravidla 45°. Dalším možným problémem je přesnost technologie, která je v rámci setin až desetin milimetru. Funkční tolerované plochy je tedy potřeba dokončit pomocí CNC obrábění.

Existují dva způsoby, jak předejít použití velkého množství podpor. První je vhodné natočení dílu při výrobě, kdy může být podstatná část podpor eliminována. Druhou možností je respektování omezení aditivní výroby při návrhovém procesu stejně jako u jiných technologií. Důležitým pojmem je zde tzv. samonosnost dílu, kdy jsou tvary navrženy tak, aby při správném výrobním natočení svírala většina ploch s podložkou úhel větší než kritický.

Relativně novou cestou v tomto směru je nahrazení některých částí nebo celých dílů mikroprutovou, tzv. lattice strukturou. Je to jemná buněčná struktura, která je už ze své podstaty samonosná a při vyplnění jakéhokoliv objemu si svou samonosnost ponechá. V praxi se nejvíce používají struktury, jejichž tvar je odvozen od krychlových krystalových mřížek. Jsou to BCC (Body Centred Cubic) mřížky, tvořené tělesovými úhlopříčkami a FCC (Face Centred Cubic) mřížky, které jsou tvořeny úhlopříčkami obvodových stěn. Popřípadě různě modifikované varianty odvozené od těchto dvou. Zmíněné buňky jsou samonosné pouze při správné orientaci. Lze si snadno představit, že při jejich natočení budou pruty rovnoběžné s podložkou, a tedy aditivně nevyrobitelné bez použití podpor. Toto omezení řeší matematicky definované buňky, které jsou při každém natočení samonosné. Příkladem může být tzv. gyroidní buňka nebo struktura.

Strukturovaný pedál navržený v programu nTopology. (Foto: nTopology)

Spojení topologické optimalizace a aditivních technologií

Základní topologická optimalizace pracuje se zatížením a objemovými podmínkami, například použití 30 % materiálu, který je k dispozici. Jak pokračuje vývoj, tak se do optimalizace dostávají nové podmínky vztažené i na vyrobitelnost tradičními technologiemi. Na jejich základě je tvar počítán už s ohledem na symetrii k několika rovinám, dělicí rovině pro odlévání nebo směru vytlačování. V posledních letech už se přidávají také technologické podmínky pro aditivní výrobu, které zahrnují hlídání převislých částí (ty, které by potřebovaly podpory) vzhledem k zadanému směru stavby.

Jednou z vedoucích společností, která se zabývá softwary pro topologickou optimalizaci, je americká firma Altair Engineering, Inc., (Troy, MI, USA) se svým softwarem Optistruct. Tento robustní nástroj nabízí velké množství nastavení optimalizace a uživatel má kontrolu prakticky nad vším, co si dokáže představit. Pro běžné konstruktéry je ale díky tomu až zbytečně komplexní. Pro ty firma nabízí daleko přívětivější možnost ve formě programu solidThinking Inspire, který zvládá všechny důležité druhy optimalizace a je postaven na intuitivním grafickém prostředí. I zde je již zabudovaná optimalizace pro aditivní technologie, kdy lze minimalizovat převislé části, popřípadě lze zadat minimální nebo maximální tloušťku stěn.

Mezi další úspěšné programy, které dokážou optimalizovat pro 3D tisk, patří Tosca, nyní pod křídly firmy Dassault Systèmes (Vélizy-Villacoublay Cedex, Francie). Ta ji nabízí jako doplněk v programu Simulia, nebo může být dostupná jako součást komplexního cloudového řešení 3DExperience.

Relativně novou a slibnou alternativou k zaběhlým firmám je produkt nTopology (New York, NY, USA).

V posledních verzích se topologickou optimalizací a napojením na aditivní technologie začíná ve velké míře zabývat i firma ANSYS Inc. (Canonsburg, PA, USA) se svým hlavním pracovním prostředím Ansys Workbench.

Topologickou optimalizaci lze nalézt také u dalších velkých výpočetních jader, jako Abaqus nebo Nastran, a v omezené míře se stále častěji dostává i do klasických CAD modelářů, jako Autodesk Inventor (Autodesk, Inc., San Rafael, CA, USA) nebo Solidworks (Dassault Systèmes, Velizy-Villacoublay Cedex, Francie).

Topologická optimalizace a mikroprutová struktura

Existuje řada matematických algoritmů pro topologickou optimalizaci, ale do praxe se úspěšně propracoval pouze jeden. Je založen na výpočtu pomocí metody konečných prvků (MKP), kdy je zadaná oblast rozdělena na jednotlivé elementy a těm je postupně přiřazována hustota mezi 0 a 1, kde 0 znamená prostor bez materiálu a 1 plný objem. Problémem jsou prvky, kterým by připadla hustota uprostřed intervalu. Takovéto prvky musejí být upraveny (penalizovány), aby měly binární hodnotu 0 nebo 1, protože až do nedávné doby byla prakticky nerealizovatelná představa měnící se hustoty v rámci jednoho dílu z jednoho materiálu.

Konzola pro satelitní anténu navržená firmou L.K. Engineering, s.r.o.


S příchodem aditivních technologií jako způsobu, jak vyrábět mikroprutové struktury, se ovšem situace změnila. Pokud jsme totiž schopni měnit parametry u jednotlivých buněk mikroprutové struktury (např. průměr prutů u BCC buňky), dostaneme buňky s různým poměrem zastoupení objemu materiálu, který se dá interpretovat jako různá hustota. Poté lze navrhnout díl, který je složen pouze z buněk mikroprutové struktury o různých objemových poměrech, a tím pádem se hustota v díle gradientně mění. Takto navržené díly mají předpoklad být tuhé a zároveň extrémně lehké.

Strukturovaná náhrada lidské čelisti. (Foto: Altair. Inc.)


Optimalizaci za použití pouze mikroprutových struktur v současné době nabízí Optistruct (potažmo Inspire), nTopology a nově poslední verze Ansys Workbench.
Pokud se spojí objemová optimalizace s tou mikroprutovou, vznikne díl s tzv. hybridním designem. Jsou zde možné dva přístupy. První možnost zahrnuje návrh objemové části buď topologickou optimalizací, nebo tradičními postupy, a mikroprutová struktura je použita jako přídavná výztuž. U druhého přístupu je z objemové části odebrán materiál a je nahrazen mikroprutovou strukturou, která zde slouží jako odlehčení. Tuto možnost optimalizace nabízejí stejné softwary jako výše zmíněnou mikroprutovou.

Možnosti použití mikroprutových struktur

Díly s mikroprutovou strukturou mají potenciál využití ve třech základních oblastech: extrémně lehké díly pro kosmonautiku, letectví nebo motorsport

Existuje řada průmyslových odvětví, kde je největší důraz kladen na hmotnost dílů, protože každý gram hmoty je vyvažován litry paliva, potažmo drahocennými sekundami na okruhu. V těchto oblastech se topologická optimalizace uplatňuje nejvíce a použití mikroprutových struktur může být další krok. Hlavně ve vesmírných aplikacích mohou mít široké uplatnění jako držáky různých součástí na satelitech. Výhodou může být právě prutová konstrukce, která by měla být minimálně statisticky (menší zaplnění prostoru) méně náchylná k poškození malými částicemi, které se pohybují kosmem v blízkosti Země. Pokud už by nějaké z prutů byly zasaženy a porušeny, tak struktura okolo přebere zatížení a držák může bez dalších komplikací pokračovat v plnění své funkce.

Tlaková zkouška mikroprutové struktury

Bioimplantáty

Lidská kost je tvořena tkání s různou, ale přesně definovanou porézností. Každá její část má jinou úlohu v mechanismu kosti, její výživě a regeneraci. Při použití gradientně strukturovaných implantátů se lze přiblížit vlastnostem kosti v jejích jednotlivých částech a tím věrně napodobit její strukturu. Nedochází tedy k velkým skokům v tuhosti mezi kostí a implantátem. Navíc je umožněno lepší propojení implantátu s okolními tkáněmi, a pokud se použijí biodegradabilní materiály, jako například některé hořčíkové slitiny, pak je zlepšena i regenerace celé oblasti.

Na míru šité absorbéry energie

Nejen v automobilovém průmyslu se používají součásti, které mají díky řízené deformaci pohltit energii, a tím ztlumit náraz. V současné době se používají kovové pěny, u kterých se při znalosti jejich relativní hustoty dá předpovědět jejich deformační chování. Vnitřní struktura pěn je ovšem zčásti nahodilá a přesné řízení její struktury je obtížné. Při použití aditivních technologií a mikroprutových struktur s konkrétně definovanou strukturou lze chování při deformacích věrněji popsat a modelovat. Zároveň lze hustotu absorbéru velice efektivně měnit díky změně geometrie prutů. Mohou tak vznikat komponenty s přesně definovanou absorpcí energie.

Reálné využití mikroprutové struktury

Jakékoliv větší využití mikroprutových struktur je ale v současnosti stále ve fázi prototypů, technologických demonstrátorů a projektů aplikovaného výzkumu. I u zde zmíněných oblastí s momentálně největším potenciálem je to spíše rarita než standard. U firem stále panuje spíše obava z použití takovýchto dílů, které na první pohled působí velmi subtilně a samozřejmě nemají pouze výhody. Mezi ty největší zápory, které brzdí jejich větší použití, patří prozatím složitější modelování, obrovská výpočetní náročnost při pevnostních simulacích a nejistoty spojené s kvalitou aditivní výroby. Na všech těchto frontách ovšem probíhá intenzivní vědecký a průmyslový výzkum, který se snaží posunout tuto oblast návrhu do širšího povědomí a použití tak, abychom se s takovými díly setkávali v budoucnosti častěji. Věřím, že rychlý vývoj aditivních technologií, kterého jsme v současnosti svědky, brzy naplno využije potenciál strukturovaných dílů.

VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav konstruování

Ing. Ondřej Vaverka

Ondrej.Vaverka@vut.cz


http://www.ustavkonstruovani.cz/

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 190422
Datum: 10. 04. 2019
Rubrika: Trendy
Autor:
Firmy
Související články
Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

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.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

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.

Jste připraveni na budoucnost? Zjistěte to...

Každý den se probouzíme do situace, kdy nekonečný boj o nové zákazníky o kousek přitvrdí, je stále náročnější a vyhraje ten, kdo se nejlépe a nejrychleji přizpůsobí. Jak řekl rakouský psychiatr Viktor Frankl, základní lidskou vlastností je svoboda rozhodnout se, i když její uplatnění nemusí být lehké. Člověk není svobodný ve vztahu k podmínkám, v nichž žije, ale má svobodu v tom, jaké k nim zaujme stanovisko. Jak se rozhodnete vy?

Platforma pro kolaborativní návrh i výrobu

Každoroční uživatelské setkání společnosti Dessault Systèmes dostalo nové jméno 3DExperience World. Jde o pokračování pravidelné konference Solidworks World pro uživatele softwarových nástrojů Solidworks. Nové jméno odráží nový ekosystém tvořený celou řadou inovativních řešení od společnosti Dassault Systèmes. Akce 3DExperience World 2020 se konala začátkem února v americkém Nashvillu ve státě Tennessee a účastnilo se jí na 6 000 konstruktérů, inženýrů a prodejců z celého světa.

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.

Praktický výzkum nám dělá svět lepším

Prof. Ing. Milan Gregor, PhD. se narodil v Prievidzi a dětství prožil v Necpaloch. Zde u příležitosti oslav 600. výročí první písemné zmínky byl v roce 2015 oceněn Cenou primátorky Prievidzy za mimořádné zásluhy v rozvoji hospodářství, vědy a techniky a šíření dobrého jména Slovenské republiky v zahraničí.

Strojírenské fórum 2018: Zaměřeno na nové technologie a materiály

Příběh pátého ročníku Strojírenského fóra se začal psát 10. května 2018 na půdě Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně konferencí na téma moderní výrobní technologie a materiály s důrazem na aditivní výrobu z velké části kovových materiálů a na inovativní aplikace kompozitních materiálů. Na sto účastníků z řad výrobní a akademické sféry vyslechlo na 13 přednášek a následně v pozdních odpoledních hodinách se větší část z nich odebrala na exkurzi po šesti VaV pracovišťích zaměřených na nové technologie. Plný den poznání a nových setkání. Pojďme se k němu vrátit fotoreportáží.

Aplikovaný vývoj a výzkum 3D technologií

CARDAM (Centre of Applied Research and Development for Additive Manufacturing) je unikátní výzkumně-vývojové pracoviště, které se zaměřuje na realizaci nových technicky a technologicky vyspělých řešení a produktů při využití aditivní výroby kovů. Poskytuje služby aplikovaného výzkumu a vývoje, kompletní inženýrské řešení pro tvorbu nových aplikací a výrobních procesů, pomáhá společnostem vytvořit potřebné vědomosti, znalosti a know-how v nové oblasti aditivního designu a výroby. Aditivní design a výroba patří mezi nejdůležitější technologické směry, celosvětově rozvíjené v rámci „Průmyslové revoluce 4.0“.

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.

Novinky ze světa 3D tisku

V uplynulém měsíci se v české kotlině seběhlo několik akcí, jejichž společným jmenovatelem byl průmyslový 3D tisk. Představeny byly nové produkční 3D tiskárny, profesionální tiskové materiály a zapomenout nesmíme ani na největší z těchto akcí, výstavu a konferenci 3dexpo.

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