Témata
Reklama

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.

Výuka aditivních technologií na Fakultě strojní byla ještě před pěti lety do značné míry fragmentována mezi jednotlivé ústavy, kde se každý věnoval této problematice v kontextu svého oboru. Prvním krokem k systematickému vzdělávání v této problematice bylo vytvoření uceleného předmětu v rámci magisterského studia mezi ústavy technologie, materiálového inženýrství, výrobních strojů, biomechaniky a ekonomiky v roce 2015. Od roku 2016 poté začala výuka, která je zajišťována ve spolupráci výše uvedených ústavů. Předmět má za úkol seznámit posluchače s možnostmi aditivních technologií v oblastech rychlého prototypování výrobků i standardních průmyslových výrobních procesů. Studenti jsou seznámeni s funkčními principy aditivních technologií pro zpracování nekovových i kovových materiálů a stejně tak s klíčovými konstrukčními prvky jednotlivých 3D tiskáren, aby chápali jejich limitace. Dále jsou v kontextu jednotlivých technologií seznámeni s výrobou materiálů pro 3D tisk a jejich vlastnostmi, včetně anizotropie mechanických vlastností, která je technologiím 3D tisku vlastní. Nechybí ani náhled na ekonomiku jednotlivých technologií v rámci kontextu průmyslové výroby.

Reklama
Reklama
Odpružený gripper (manipulační přípravek) pro jemnou manipulaci s křehkými díly pro proces kolaborativní montáže

Technologičnost konstrukce aditivně vyráběných dílů

Na základě těchto informací se poté studenty snažíme seznámit se základními pravidly pro konstruování dílů, tedy s technologičností konstrukce pro aditivní výrobu. To je podle našeho názoru základním předpokladem pro efektivní rozšíření 3D tisku napříč průmyslem v masovějším měřítku. Uživatelé již dnes začínají vnímat, že pokud díl navržený pro konvenční výrobní technologie pouze vytisknou, připravují se o značnou část potenciálu 3D tisku. Nepopíráme nesporný přínos 3D tisku v oblasti rychlého prototypování, kdy se vývojovým oddělením výrazně zkracuje cesta k prototypu dílu. Nicméně pořád v technické praxi chybí znalost, jak díly už ve fázi návrhu konstruovat pro aditivní výrobu, tak aby byl skutečně využit potenciál, který tyto technologie nabízejí (nejen v rámci úspory materiálu díky topologické optimalizací vnějšího tvaru dílů podle jejich namáhání, ale i náhradou plných stěn dílu vnitřními strukturami), a zároveň aby se výroba dílů zbytečně nekomplikovala, tedy neprodražovala. Bohužel zvyk je železná košile a není snadné přeorientovat se z technologičnosti konstruování pro obrábění na technologičnost pro 3D tisk – ani pro pedagogy, ani pro konstruktéry v průmyslu.

Model proudového leteckého motoru pro demonstraci jeho funkce



V rámci cvičení se snažíme studenty vést k jednoduchým projektům optimalizace návrhu a výroby nejčastěji uchopovacích prvků pro kolaborativní roboty, pro projekty automatizace montážních procesů, tak aby si sami udělali obrázek o vhodných a nevhodných konstrukčních řešeních. Ačkoliv fakulta disponuje i různými technologiemi 3D tisku kovových materiálů, jako je spékání prášku laserem, navařování práškových materiálů plazmatem či navařování materiálu ve formě drátu metodou MIG, v rámci cvičení jednoznačně vládnou technologie 3D tisku polymerů, které jsou provozně i cenově přívětivé. V rámci výuky využíváme zejména technologie firem Zortrax, Prusa Research i Stratasys. Od příštího akademického roku se nám podařilo zavést ucelenou výuku aditivních technologií také v rámci bakalářského studia.

Rozměrová analýza montážní sestavy tělesa motoru s využitím výpočetní tomografie

Výzkum a vývoj 3D tisku kovů

Stejně tak jako došlo k významným změnám v systematické výuce aditivních technologií, došlo i k významnému posunu v oblasti výzkumu a vývoje 3D tisku kovů na Fakultě strojní ČVUT v Praze. V rámci výzkumného projektu Centrum pokročilých leteckých technologií bylo založeno širší Centrum leteckého a kosmického výzkumu, které bylo reakcí prof. Valáška na poptávku ze strany leteckého průmyslu po vysoce specializované výzkumné infrastruktuře, a v jeho rámci bylo kromě jiného vybudováno pracoviště 3D tisku kovových materiálů metodou DMLS. Pracoviště je vybaveno tiskárnou, práškovým hospodářstvím, vlastní pecí pro tepelné zpracování dílů, výpočetní tomografií a dalším zázemím, které je pro dokončovací operace po 3D tisku potřeba. Celý výrobní proces byl koncipován jako výzkumná základna pro letecký průmysl, kde jsou požadavky na vlastnosti dílů i opakovatelnost a stabilitu výrobních procesů v čase extrémně důležité. Samotná tiskárna M2 cusing od společnosti Concept Laser je vybavena několika užitečnými opcemi navíc. Je to např. opce QM Meltpool 3D, která sleduje tavný bod v reálném čase a umožňuje zaznamenat a následně analyzovat historii výroby každého dílu. Stejně tak CT systém Metrotom 1500 od společnosti Zeiss umožnuje přímou kontrolu dílů – jak z pohledu rozměrových a geometrických tolerancí, tak z pohledu vnitřních struktur a pórozity materiálu. V současné době máme již provedeny technologické zkoušky pro vybrané nereaktivní i reaktivní materiály (AISI 316L, 17-4 PH, Inconel 718, AlSi10Mg, Ti6Al4V ELI) a zpracováváme pro ně základní mechanické zkoušky, abychom věděli, jak vybrané parametry tisku a tepelného zpracování ovlivňují finální vlastnosti dílu. Výhodou zvoleného řešení je relativně rychlá možnost změny jednotlivých tištěných materiálů.

Ergonomická optimalizace madla s využitím postupu reverzního inženýrství pro závodní veslování


Velkou předností leteckého průmyslu je, že má přísně propracovaný systém práce s tradičními materiály a zároveň klade extrémní důraz na stabilitu výrobních procesů, které používá, aby zaručil plnění přísných specifikací samotných výrobků. To nám dává značný potenciál výzkumu a vývoje, neboť v oblasti 3D tisku kovů jsme ve všech těchto oblastech víceméně na začátku. Z pohledu rozměrových a geometrických tolerancí jsme v současné době s díly na úrovni odlitků dostupných technologií přesného lití, z pohledu textury povrchu jsme poté minimálně o řád pod nimi. V praxi neexistuje jakýkoli systém standardizace práškových materiálů, tzn. že není možné očekávat stejné vlastnosti materiálů mezi jednotlivými dodavateli prášků, stejně tak nejsou přenositelné parametry tisku a mechanické a únavové vlastnosti dílů mezi výrobci jednotlivých tiskáren.

Vizualizace mikrostruktury strategií tisku skin/core a topografie povrchu vzorku tištěného metodou DMLS

Průmysloví partneři

3D tisk nám sice umožňuje výrobu tvarově složitých dílů, nicméně jejich nízká rozměrová a geometrická přesnost a textura povrchu neustále vyžadují opracovávání (obrábění). Reálně jsme v průmyslu v situaci, že musíme opět řešit přípravky a upínání tištěných dílů, které mnohdy díky bionickým strukturám není jednoduché. Stručně řečeno, v oblasti výzkumu a vývoje technologie 3D tisku je stále co dělat. Mezi naše průmyslové partnery v této oblasti patří zejména společnost Aero Vodochody Aerospace, která nás přizvala jako jednoho z partnerů pro vývoj technologie a procesu na díl v rámci primární struktury letounu. Podle našich znalostí to bude pravděpodobně první společnost v Čechách, která uvažuje o takto kritickém dílu v rámci primární struktury. Dalším zajímavým partnerem z pohledu budoucnosti je společnost GE Additive. Pro ni jsme také jedním z partnerů v připravovaném evropském projektu automatizace a integrace 3D tisku do výrobního prostředí díky ucelenosti naší infrastruktury 3D tisku, kontrole kvality pomocí CT a přímé návaznosti na technologie obrábění pro dokončování dílů do požadovaných specifikací.
ČVUT v Praze, Fakulta strojní

Libor Beránek, Zdeněk Pitrmuc, Jiří Kyncl

Libor.Beranek@fs.cvut.cz

http://utopm.fsid.cvut.cz/

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 190455
Datum: 10. 04. 2019
Rubrika: Trendy
Autor:
Firmy
Související články
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.

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.

Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

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
O materiálovém inženýrství pro strojírenství

Ve srovnání s tradičním strojním inženýrstvím vzniklo materiálové inženýrství jako vědní a studijní obor před poměrně krátkou dobou. Zkušenosti ukazují, že jeho podstata není části technické veřejnosti a zejména mnohým studentům strojního inženýrství zcela jasná. To je i možnou příčinou, že počet materiálových inženýrů neodpovídá potřebám strojírenského průmyslu. Materiálové inženýrství se přitom zásadním způsobem podílí na modernizaci a konkurenceschopnosti strojírenských výrobků a zařízení, zvyšování efektivnosti jejich výroby a snižování energetické náročnosti jejich provozu.

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.

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.

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“.

Desatero pro export - Marketingový průzkum poprvé

V dnešním díle našeho exportního seriálu se budeme věnovat marketingovému průzkumu. Ten je základním nástrojem pro posuzování jednotlivých vývozních teritorií a sestavování individuálních exportních plánů. Cílem je vytvořit profily potenciálních trhů, které zahrnou jejich charakteristiky, očekávání a preference. Na základě těchto profilů chceme sestavit klasifikaci atraktivity trhů podle předem určených kritérií. Dalšími cíli jsou analýza konkurence na vybraných trzích, identifikace hrozeb a příležitostí a určení právního rámce a systému autorského práva.

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.

EMO Hannover 2011, Část 8 - Materiály ve stavbě strojů

Dnešním předposledním dílem již pomalu uzavíráme náš profesně tříděný pohled na loňskou výstavu EMO Hannover. Dnes se zabýváme materiály ve stavbě obráběcích strojů, v příštím vydání se můžete těšit na zpracovanou oblast brousicích strojů.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Již druhý hybridní stroj WeldPrint

Kovosvit MAS ve spolupráci s ČVUT vyvinul již druhý tzv. hybridní stroj pod obchodním názvem WeldPrint. Jde o technologii 3D tisku z kovu plně vyvinutou v České republice patřící do kategorie Hybrid Manufacturing (HM). Umožňuje vytvářet kovové dílce navařováním pomocí elektrického oblouku a jejich obrábění v jednom pracovním prostoru s výrazně menšími náklady než u jiných technologií 3D tisku z kovu. Nový stroj bude díky nižší pořizovací ceně dostupnější než jeho předchůdce.

Aplikace nanomateriálů ve strojírenství

Nanotechnologie umožňují vývoj nových generací kompozitů s vylepšenou funkčností a širokou škálou aplikací. V současnosti nanokompozity představují mnoho aplikací v mnoha průmyslových oborech. Užitné vlastnosti nanomateriálů vyplývají z jejich výjimečných fyzikálních a chemických vlastností, velikosti, tvaru či povrchové morfologii. Velikostní efekt (size efect) umožňuje výrazně zlepšovat užitné vlastnosti konvekčních materiálů. Nanotechnologie díky svému inovačnímu potenciálu již dnes výrazně ovlivňují moderní průmyslové produkty.

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