Témata
Reklama

Výroba polymerních a kompozitních prototypů

Aditivní technologie výroby je termín pro dnes běžně používané označení „3D tisk“. Tato technologie dříve spadala pod tzv. rapid prototyping, který se využívá v různých průmyslových odvětvích pro rychlé vytváření prototypů nebo jejich částí před finální výrobou a samotnou komercializací produktů. Díky dynamickému vývoji odvětví umožňuje dnes tato technologie vytvoření komponent splňujících požadavky pro finální produkt nejen po vizuální stránce, ale i z hlediska mechanických vlastností.

Jednou z laboratoří Regionálního technologického institutu (RTI) – strojírenského a technologického výzkumného centra Fakulty strojní na Západočeské univerzitě v Plzni – je také laboratoř pro virtuální prototyping. Výzkumné centrum bylo vybudováno díky finančním prostředkům z Evropského fondu pro regionální rozvoj, z prioritní osy 2: „Regionální VaV centra“ Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace. Budování centra započalo v první polovině roku 2011 a 1. 7. 2015 pak projekt RTI přešel do své provozní fáze. Ve vybudovaných laboratořích, zkušebnách a pracovištích je v současnosti zaměstnáno téměř sto výzkumných pracovníků, kteří zde mají k dispozici nejmodernější experimentální, softwarovou a výpočetní techniku.

Reklama
Reklama
Reklama
3D tiskárna Mark Two od firmy Markforge

Výroba dílů z termoplastických polymerů

Mnoho lidí dnes popisuje aditivní technologii jako revoluční výrobu produktů umožňující jejich nekonvenční vývoj bez nutnosti ohledu na následný způsob výroby s minimalizací odpadního materiálu. To by v budoucnu mohlo znamenat zcela nový pohled na průmyslovou výrobu, než jak ji známe dnes.

V RTI je využíváno hned několik zařízení pro aditivní technologii výroby dílů z termoplastických polymerů. Disponuje standardními FDM zařízeními (tisk ve formě nanášení vrstev za pomoci extrudéru), která umožňují tisk vrstvy silné od 50 mikronů z materiálů, jako jsou například akrylonitrilbutadienstyren (ABS), polylactic acid (PLA), polyethylentereftalát (PET), či ze speciálních materiálů pro tisk, jako je Laywood, Laybrick aj. Dále je RTI vybaveno zařízením Markforged Mark Two, které umožňuje tisk dílů z nylonu (PA6), který je velmi flexibilní s vysokou odolností vůči rázům, či z materiálů s objemovým podílem krátkých uhlíkových vláken, nebo tisk kompozitních vysokopevnostních dílů s dlouhými vlákny.

Aplikace v praxi

Použití běžných materiálů je vhodné zejména pro snadnou tvorbu prototypů bez ohledu na složitost dílů a jejich následnou výrobu. Jako příklad lze uvést využití 3D tisku při návrhu a ověření ergonomie u volantu pro závodní vůz formule Student týmu UWB Racing Team Pilsen (obr. 2) či anatomicky přesný výtisk ruky muže (95 %) pro ověření geometrie ochranných pomůcek (obr. 3).

Vytištěný volant pro závodní vůz z nylonu na zařízení Markforged Mark Two

Obr. 3. Vytištěná levá ruka z materiálu Onyx na zařízení Markforged Mark Two

Díky možnosti řízeného pozastavení tisku lze do komponent přímo integrovat (zatisknout) inzerty ve formě matic či čepů (obr. 5) nebo tlačítka, patice, diody a jiné elektrotechnické prvky, a to včetně vytištění otvorů (kanálů) pro jejich zapojení a kabelové svazky.

Další materiály

Další typ materiálu, který je využíván v laboratoři pro virtuální prototyping v RTI, nese obchodní označení Onyx – přesněji se jedná o nylon s nízkým objemovým podílem krátkých uhlíkových vláken. Tento materiál vyniká vyšší tuhostí a pevností než běžné termoplastické materiály pro 3D tisk. Díky tomu jsou díly vytištěné z tohoto materiálu vhodné přímo jako náhrady méně namáhaných dílů. Tento materiál byl použit např. pro vyrobení sestavy upínacího přípravku pro firmu Mubea (obr. 4).

Obr. 4. Vytištěná sestava dílů z materiálu Onyx na zařízení Markforged Mark Two

Díly z tohoto materiálu disponují také vysokou tepelnou stabilitou až do teplot 145 °C a lze je tak použít například jako formy nebo jejich části při výrobě kompozitních dílů. Na obr. 5 je uveden jeden segment ze skládané pozitivní formy pro výrobu kompozitní spojky. Forma je spojena za pomoci závitových vložek, které byly následně vlepeny do předtištěných otvorů, přičemž je schopna odolávat v autoklávu přetlaku pěti barů při teplotě 120 °C.

Obr. 5. Segment formy na výrobu kompozitní spojky z materiálu Onyx na zařízení Markforged Mark Two (vlevo výtisk před odstraněním podpěr, vpravo finální výtisk včetně implementovaných závitových vložek)

Novým trendem 3D tisku je tisk kompozitních dílů s dlouhými jednosměrnými vlákny pro mechanicky namáhané díly. Jedná se o moderní technologii, u níž je využita speciální tisková hlava disponující dvěma tryskami; první nanáší vrstvu matrice (PA6 nebo Onyx) a druhá následně do této vrstvy pokládá výztužné uhlíkové, kevlarové nebo skelné vlákno. Díly s tímto typem výztuže jsou svojí tuhostí a pevností v ohybu srovnatelné s vysokopevnostními hliníkovými slitinami. Tento typ tisku byl aplikován například při optimalizaci sací klapky, kde bylo využito výztuže ve formě kevlarových vláken pouze v nejvíce exponovaných oblastech uchycení (pro snížení nákladů je možné řídit oblasti/vrstvy, kde má být výztuž aplikována – viz obr. 6). Vytvořením náhrad dílů z hliníkové slitiny (část restriktoru a vstupu) za kompozitní byla snížena celková hmotnost klapky o více než 30 % (obr. 7).

Obr. 6. Nastavení tisku difuzoru klapky sání v softwaru Eiger; žlutě je uvedeno umístění kevlarového vlákna.
Obr. 7. Náhrada dílů klapky sání za kompozitní (vlevo původní sestava klapky z hliníkové slitiny, vpravo optimalizovaná klapka s náhradou dílů z tisknutého kompozitu)

Numerické simulace

V laboratoři pro virtuální prototyping je také věnována pozornost predikci tuhosti a pevnosti komponent za pomoci numerických simulací na bázi metody konečných prvků se zohledněním ortotropních vlastností, a to včetně verifikace za pomoci experimentálních zkoušek. Pro stanovení pevnosti kompozitních dílů jsou využívána standardní (maximum stress, Hill, Tsai-Wu aj.) i pokročilá pevnostní kritéria typu ‚Direct mode‘ (Puck, LaRC04).

Značnou výhodou použití numerických simulací při vývoji či optimalizaci dílů určených pro aditivní technologie výroby je využití strukturálních optimalizací jak geometrických a tvarových, tak topologických, které umožňují nalézt optimální rozložení materiálu v předem specifikované oblasti. Tradiční nevýhodou této optimalizace je značná tvarová náročnost navržených dílů z hlediska výroby, která u aditivních technologií není komplikací.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory projektu LO1502 ‚Rozvoj regionálního technologického institutu‘ pod záštitou Národního programu udržitelnosti Ministerstva školství České republiky, zaměřeného na podporu výzkumu, experimentálního vývoje a inovací.

ZČU v Plzni, FS, Regionální technologický institut

Zdeněk Chval

zdchval@rti.zcu.cz

//rti.zcu.cz/

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 170443
Datum: 12. 04. 2017
Rubrika: Monotematická příloha / Moderní výrobní technologie
Autor:
Firmy
Související články
Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

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.

Související články
Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Cyklické zkoušky pro reálnější simulace

Životnost, trvanlivost, odolnost, ale i třeba degradace jsou důležitými pojmy, pokud se bavíme o životním cyklu jakékoliv součásti. Kupující nebo odběratel požaduje záruky, že právě obdržený díl, zařízení či konstrukce bude fungovat předem stanovenou dobu, navíc je-li ve hře také otázka bezpečnosti. Udělení certifikace či určení doby trvanlivosti často předcházejí různé zkoušky. Důležitou skupinou z nich jsou urychlené korozní zkoušky. Nejen jimi se v úzké spolupráci s průmyslem zabývají ve vědecko-technickém parku v Kralupech nad Vltavou.

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.

Nové technologie osvětlení vozidel

Získat zkušenosti s novými zdroji světla bylo cílem jednoletého projektu Ideag, do něhož se na konci roku 2017 pustila mladoboleslavská společnost EDAG Engineering CZ. Výsledný prototyp zadní lampy navržené pro model Škoda Superb ukazuje možnosti využití tří moderních technologií: elektroluminiscenční fólie, OLED panelu a COB LED destiček.

Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Made in Česko: Bezpečné bezdrátové spojení pro všechny

Prognózy, které se týkají internetu věcí (IoT) a průmyslového internetu věcí (IIoT), se mění stejně rychle jako možnosti této technologie samy. Už v roce 2008 bylo na světě víc připojených zařízení než lidí a odborníci ze Světového ekonomického fóra (WEF) tvrdí, že do roku 2025 bude 41,6 miliardy zařízení zachycovat data o tom, jak žijeme, pracujeme, pohybujeme se, jak fungují naše zařízení, stroje.

Stroje v pohybu:
Divoká jízda sondy Pathfinder

Sonda Mars Pathfinder, která 4. července 1997 přistála na rudé planetě, se může pyšnit několika prvenstvími. Třeba tím, že šlo o první mimozemský výsadek masově sledovaný uživateli internetu. Nebo tím, že jako první dopravila na Mars kolové průzkumné vozidlo, rover Sojourner.

Stroje v pohybu: Raketa, která změní svět

Americký podnikatel Elon Musk se od založení své firmy SpaceX v březnu 2002 netají tím, že jeho dlouhodobým cílem je kolonizace Marsu člověkem. Již letos přitom plánuje uskutečnit premiérový start orbitální rakety Starship, která mu má tento cíl pomoci splnit.

Stroje v pohybu:
Fotoprůzkumné družice

Za druhé světové války přinášely informace z fronty filmové týdeníky, při první válce v Perském zálivu vysílala živě CNN z bombardovaného Bagdádu – a nyní na Ukrajině má veřejnost poprvé v historii k dispozici prakticky v reálném čase družicové snímky. Navíc neskutečné kvality. Každopádně jde o materiál, který umožňuje potvrdit, nebo naopak vyvrátit mnohá tvrzení válčících stran.

VaVaI a průmysl:
Znát budoucí potřebu zákazníka

Biochemik Vladimír Velebný je majitelem, generálním ředitelem, a současně i vedoucím výzkumu a vývoje ve společnosti Contipro. Jeho firma se zabývá biotechnologickou výrobou kyseliny hyaluronové, která má širokou škálu potenciálního využití v nejrůznějších oblastech medicíny a kosmetiky. O tom, jak ideálně propojit oblast vědy a výzkumu s oblastí průmyslu ku prospěchu obou, a zejména nás všech, ví rozhodně mnohé.

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