Zastosowanie inŝynierii odwrotnej w projektowaniu

Transkrypt

1 Zastosowanie inŝynierii odwrotnej w projektowaniu elektrod do drąŝenia elektrochemicznego (ECM) Sebastian Skoczypiec*, Krzysztof Karbowski**, Adam Ruszaj* * w Krakowie **Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Politechnika Krakowska

2 Plan prezentacji Wprowadzenie Dobór kształtu elektrody roboczej Pomiar i analiza dokładności geometrycznej PO Problemy związane z korekcją elektrody roboczej Wykonanie elektrody roboczej (SLS) Podsumowanie

3 Wprowadzenie Obróbka elektrochemiczna (ECM) Proces roztwarzania anodowego zachodzący w wyniku reakcji elektrochemicznych, zgodnych z prawami Faraday a, umoŝliwiający kształtowanie z określona dokładnością elementów wykonanych z metali lub ich stopów. Electrons Elektrony Electrolyte elektrolit (Salt (roztwór Solution) soli) OH - H + H + OH - Fe ++ Fe Electrons Elektrony 2H + + 2e - H - 2 H 2 Fe(OH) 2H + + 2e - H 2 2 Fe Fe e - Fe OH - Fe(OH) - 2 Gas Gaz Precipitate Cathode Katoda Anode Anoda (Electrode) (narzędzie) Gas l/ Roztworzony metal Dissolved Metal / Precipitate Fe OH - Fe(OH) 2 + (Workpiece) (przedmiot obrabiany)

4 Wprowadzenie Zalety ECM: dobra jakość powierzchni obrobionej; moŝliwość obrabiania materiałów bez względu na ich własności mechaniczne; brak zuŝycia elektrody; duŝa wydajność obróbki; moŝliwość wytwarzania elementów o skomplikowanej geometrii. Zastosowanie ECM: przemysł lotniczy, kosmiczny, motoryzacyjny i obronny (obróbka łopatek silników lotniczych, drąŝenie małych otworów w łopatkach turbin, elementach silników i osprzętu lotniczego); wytwarzanie narzędzi do obróbki plastycznej (matryce, formy, wykrojniki); przemysł elektroniczny (wytwarzanie bardzo małych, dokładnych elementów).

5 Wprowadzenie Schemat drąŝenia elektrochemicznego

6 Wprowadzenie Typowe elementy wykonywane w operacji drąŝenia elektrochemicznego

7 Wprowadzenie

8 Wprowadzenie Schemat operacji elektrochemicznego usuwania zadziorów

9 Wprowadzenie ECM ECM Przykłady elementów po elektrochemicznym usuwani zadziorów

10 Wprowadzenie Schemat drąŝenia łopatek turbin silników przepływowych; 1 - łopatka, 2 - elektroda robocza, 3 - dopływ elektrolitu do kasety, V f - prędkość posuwu elektrody roboczej, PO przedmiot obrabiany, ER elektroda robocza, p 0, w 0, T 0 ciśnienie, prędkość i temperatura elektrolitu na wlocie do szczeliny międzyelektrodowej

11 Dobór kształtu elektrody roboczej Jedną z podstawowych wad obróbki elektrochemicznej jest stosunkowo trudne i czasochłonne projektowanie procesu technologicznego, związane głownie z doborem kształtu ER. V n =f(κ) κ = f(to, β)

12 Dobór kształtu elektrody roboczej Projektowanie procesu technologicznego drąŝenia związane jest z rozwiązaniem następujących zadań: 1) dobór warunków procesu ECM, czyli: składu elektrolitu; warunków elektrycznych, kinematyki oraz hydrodynamicznych parametrów obróbki; 2) wyznaczenie geometrii narzędzia elektrody roboczej; F F + kv j t F t = 0 = j ( ) Fo ( F ) grad F = 0 ( F ) = κ ( F ) grad u F div κ u u ( gradu) = 0 ( f ) = Ek ( jr ) ( F ) = U E a j ) a ( a 3) analiza dokładności obróbki.

13 Dobór kształtu elektrody roboczej Rozwiązanie powyŝszych zadań związane jest z wyznaczeniem ewolucji kształtu powierzchni obrabianej w czasie oraz rozkładów warunków fizycznych w szczelinie międzyelektrodowej. Korekcja kształtu ER na podstawie analizy odchyłek (z symulacji) i-te przybliŝenie geometrii ER Symulacja ECM kształt PO i-te przybliŝenie ER poprawne

14 Dobór kształtu elektrody roboczej f i = α F i sup{f i F} < ε Schemat korekcji elektrody roboczej: F i kształt końcowy obrobiony elektroda f i ; df i rozkład odchyłek kształtu F i od Ŝądanego kształtu df i = F i F, 0 < α < 1 współczynnik zbieŝności.

15 Dobór kształtu elektrody roboczej Zaproponowany w pracy algorytm postępowania składa się z następujących kroków: a) na podstawie informacji o Ŝądanym kształcie i materiale PO dokonuje się doboru warunków obróbki w celu zaprojektowania 1-go przybliŝenia kształtu ER; b) wykonanie elektrody oraz przeprowadzenie próbnego drąŝenia; c) pomiar geometrii otrzymanej powierzchni i porównanie z zadanym kształtem (model CAD) a następnie wprowadzenie korekcji kształtu ER na podstawie obliczonych odchyłek; d) ponowne wykonanie ER i przeprowadzenie próbnej obróbki. Procedura ta (punkty c b) powtarza się aŝ do uzyskania obrobionego kształtu o określonej przez projektanta dokładności.

16 1 przybliŝenie ER W pracy proponuje się zastosowanie symulacji ECM jedynie na etapie wstępnej korekcji, czyli pierwszego przybliŝenia kształtu ER. Wybór metody, na postawie której zostanie obliczona grubość szczeliny międzyelektrodowej w pierwszym przybliŝeniu zaleŝy od decyzji technologa projektanta. W zaleŝności od kształtu PO, wymaganej dokładności obróbki, jak równieŝ doświadczenia moŝe to być prosta korekcja np. na podstawie twierdzenia cosinusów, obliczenia z załoŝeniem stałości κ, ηk v, E a, E k, metoda analityczna czy zastosowanie CFD.

17 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Chmura punktów otrzymana po zeskanowaniu elementu matrycy.

18 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Chmura punktów Punkty i trójkąty Triangulacja

19 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej triangulacja Delunay a: podział obszaru na trójkąty, tak aby Ŝaden z punktów zbioru nie trafiał do wnętrza okręgu opisanego na trójkącie triangulacja Voronoi a: podział zbioru punktów na obszary zawierające punkt, dla których jest on najbliŝszy spośród punktów analizowanego zbioru, tzw. obszary najbliŝszego sąsiedztwa.

20 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej a) chmura punktów, b) siatka trójkątów Przykład triangulacji chmury punktów dla powierzchni łopatki.

21 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej PO Postać analizowanego modelu Chmura punktów Postać modelu referencyjnego Chmura punktów Chmura punktów STL Chmura punktów Powierzchnia STL STL STL Powierzchnie

22 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Dopasowanie otrzymanej w programie CopyCAD tablicy odchyłek PO do tablicy punktów opisujących kształt ER w danym przybliŝeniu wymaga to rozpięcia regularnej siatki prostokątnej, o jednakowym rozmiarze oczka dla obu tych tablic. Transformacja chmury punktów do postaci regularnej siatki węzłów daje moŝliwość jednolitego opisu i analizy wyników pomiarów skanujących

23 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Zagadnienie interpolacji moŝna zdefiniować następująco: Dany jest zbiór N punktów Pi(x i, y i, z i ), z i =F(x i, y i ), i=1...n. NaleŜy znaleźć funkcję f(x, y), która interpoluje (lub aproksymuje) funkcję F(x i,y i ). Stosowane metody: metody najmniejszych odległości, zmodyfikowanej metody Sheparda metoda rozwinięcia w szereg Taylora, metody krigingu prostego, metoda krigingu normalnego z liniowym modelem wariogramu, metoda krigingu normalnego z modelem wariogramu przyjętym na podstawie analizy chmury punktów (model kwadratowy wymierny).

24 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Wygenerowano losowo pary współrzędnych (x,y), a następnie, korzystając ze wzoru obliczono dla nich wartość funkcji powstała w ten sposób nieregularna siatka węzłów. x y 20 f ( x, y) = 100 sin cos ; x, y [0,100] Utworzono prostokątną siatkę współrzędnych (x r, y r ): x r, y r =5, 6,..., 95. Stosując wybrane metody interpolacyjne oraz nieregularną siatkę węzłów, obliczano wartości funkcji interpolującej lub aproksymującej f r(x r,y r) dla prostokątnej siatki współrzędnych i porównywano je z wartościami funkcji. Błąd: δ = f ( xr, yr ) f r ( xr, yr ) Powierzchnia testowa.

25 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Metoda najmniejszych odległości histogram błędów błędy metody najmniejszych odległości rzędu 0,8 mm wykluczają jej zastosowanie w inŝynierii rekonstrukcyjnej Rozwinięcie w szereg Taylora (zmodyfikowana metoda Sheparda) histogram błędów metody. z błędami rzędu 0,02 mm, mogłyby znaleźć zastosowanie we wstępnym przetwarzaniu chmury punktów, zastosowanie ograniczone do przypadków, gdy oczekiwana dokładność odwzorowania obiektu w całym cyklu inŝynierii rekonstrukcyjnej jest na poziomie kilku dziesiątych części milimetra,

26 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Kriging normalny (przyjęto liniowy model wariogramu) Histogram błędów interpolacji: kriging normalny (przyjęto model kwadratowy wariogramu) najmniejsze błędy interpolacji daje metoda krigingu normalnego decydujący wpływ na jej dokładność ma właściwe dobranie modelu funkcji wariogramu; w pokazanym przykładzie przyjęto model kwadratowy wymierny, co w rezultacie dało błędy interpolacji nie przekraczające mm,

27 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Przystępując do wyboru metody interpolacji pojawia się problem oceny dokładności metody. Przedstawiona metoda nie daje odpowiedzi na pytanie, jaka jest dokładność wybranej metody dla aktualnie analizowanego zbioru punktów. Częściową odpowiedź na powyŝsze pytanie moŝna otrzymać stosując metodę sprawdzania krzyŝowego ( cross validation ), które odbywa się w następujacych etapach: Wybór metody interpolacji, Wybór jednego punktu P s (x s,y s,z s ), z s =F(x s,y s )) ze zbioru wszystkich punktów P i (i=1..n), Interpolacja wartości funkcji f w punkcie (x s,y s ) z wykorzystaniem punktów P i (i=1..n, i s), Porównanie interpolowanej wartości funkcji f z wartością z s, Powtórzenie czynności 2 4dla innych punktów ze zbioru, Analiza statystyczna wyników. Algorytm polega na interpolowaniu wartości funkcji w wybranym punkcie o znanej (zmierzonej) wartości z s i porównaniu tej wartości z wynikiem interpolacji.

28 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Chmura punktów Interpolacja krigingowa i sprawdzenie krzyŝowe Obrobiony element siatka nr 1 Sprawdzenie dokładności PO Tablica odchyłek Interpolacja krigingowa i sprawdzenie krzyŝowe Chmura punktów Korekcja elektrody siatka nr 2 Wykonanie elementu Sprawdzenie dokładności PO Tablica odchyłek Korekcja elektrody Korekcja elektrody Sprawdzenie dokładności PO siatka nr 4 Chmura punktów Tablica odchyłek Interpolacja krigingowa i sprawdzenie krzyŝowe Algorytm oceny dokładności elementu

29 Pomiar i analiza dokładności geometrycznej Obrobiony element Skanowanie Chmura punktów Wykonanie ER Interpolacja krigingowa i ocena jej dokładności Regularna siatka Porównanie z modelem CAD Tablica odchyłek Korekcja kształtu ER

30 Oprogramowanie do korekcji kształtu ER

31 Oprogramowanie do korekcji kształtu ER (2) Opracowany program komputerowy umoŝliwia: importowanie kształtu powierzchni ER przed korekcją z systemów komputerowo wspomaganego projektowania (STL); importowanie chmury punktów, będących bezpośrednio wynikami pomiaru skanującego wykonanego współrzędnościową maszyną pomiarową lub przestrzennym profilometrem; obliczenie wektorów normalnych wybranych punktach analizowanej powierzchni; Wersor normalny Wektor wypadkowy

32 Oprogramowanie do korekcji kształtu ER (3) Po wyznaczeniu wektorów normalnych w punktach powierzchni obrabianej moŝliwe jest przeprowadzenie odpowiednich korekcji kształtu wczytanego do programu kształtu ER. MoŜliwe jest to poprzez wczytanie do programu wczytanie do programu tablicy korekcji (w postaci pliku tekstowego w odpowiednim formacie). Po zakończeniu korekcji model ER moŝe zostać poddany analizie na przestrzennym wykresie wykonanym przez program lub wyeksportowany jako chmura punktów lub plik formatu STL i dalej analizowany w systemie komputerowo wspomaganego projektowania.

33 Wykonanie elektrody - SLS Selektywne spiekanie laserowe (SLS) to rodzina metod polegających na wytwarzaniu litych wyrobów poprzez zestalanie materiałów proszkowych warstwa po warstwie poprzez ekspozycję powierzchni proszku na działanie wiązki laserowej Proszek Spiekanie laserowe Wyrób

34 Wykonanie elektrody - SLS Parametry technologiczne: k współczynnik absorpcji, P moc lasera v prędkość skanowania o współczynnik zachodzenia d grubość warstwy proszku

35 Wykonanie elektrody - SLS

36 Wykonanie elektrody - SLS Charakterystyka urządzenia Urządzenie EOSINT M 250Xt Zainstalowane w laboratorium IZTW Laser CO 2 : 200 W; Prędkość skanowania: do 3.0 m/s; Grubość nakładanych warstw proszkowych: µm; Dokładność otrzymywanych przedmiotów: +/- 0,05 mm; Max wymiary budowanego elementu: 250 x 250 x 200 mm; Obudowa urządzenia laserowego: klasy 1 ; System podawania gazu osłonowego: zintegrowany generator azotu w urządzeniu; Na wyposaŝeniu znajduje się równieŝ urządzenie do czyszczenia komory roboczej i obróbki wykańczającej (śrutowanie)

37 Wykonanie elektrody - SLS Nazwa Typ Typowe zastosowania DirectMetal 20 Mieszanka na bazie brązu Formy wtryskowe, narzędzia, prototypy DirectSteel 20 Mieszanka na bazie stali Formy wtryskowe, narzędzia, prototypy DirectSteel H20 Mieszanka na bazie stal Formy wtryskowe, narzędzia, prototypy EOS Maraging Steel MS1 EOS Stainless Steel 17-4 EOS CobaltChrome MP1 EOS Titanum Ti64 18 Mar 300/ Prototypy i serie wyrobów w budowie maszyn Stal nierdzewna 17-4/PH/ nadstop Stop lekki Ti6Al4V Prototypy i serie wyrobów w budowie maszyn i medycynie Prototypy i serie wyrobów w budowie maszyn, medycynie i dentystyce Prototypy i serie wyrobów przemysł lotniczy, samochodowy itp.

38 Wykonanie elektrody - SLS Wykonywanie elementów metalowych w IZTW Urządzenie: EOSINT M 250 Xt Programy: Magics, EOS RP -Tools i PSW 3.22 Program Magics - przygotowanie elementu do podziału na warstwy (w tym momencie podejmuje się decyzję o ustawieniu elementu w komorze roboczej) jak równieŝ generuje się konstrukcje wsporczą (suport). Program EOS RP-Tools - podział elementu na warstwy. Program PSW 3.22 realizacja procesu spiekania

39 Wykonanie elektrody - SLS Elementu w formacie.mgx bądź.stl Wczytany element w środowisku programu Magics

40 Wykonanie elektrody - SLS Środowisko programu EOS RP-Tools po wygenerowaniu warstw na elemencie. (W prawym górnym rogu jest widoczny numer warstwy, którą oglądamy).

41 Wykonanie elektrody - SLS wygenerowanie pliku konstrukcji wsporczej (suportu). moŝna ręcznie zmodyfikować suport korzystając ze swojego doświadczenia przy wykonywaniu tego typu elementów. Zbudowana konstrukcja wsporcza pod elementem

42 Wykonanie elektrody - SLS Symulacji czasu pracy urządzenia: element w sumie z suportem ma wysokość mm czas wykonania: 5.21 godz. Symulacja przebiegu budowy elementu

43 Wykonanie elektrody - SLS

44 Wykonanie elektrody - SLS A C B Eliptyczne koło zębate z DirectMetal20 wykonane w IZTW. A - przed usunięciem z płyty roboczej, B - po usunięciu z płyty, C po obróbce śrutowaniem.

45 Wykonanie elektrody - SLS

46 Wykonanie elektrody - SLS Przykłady wybranych elementów Element ze spiralnym kanałem chłodzenia wykonany z DirectSteel 20

47 Wykonanie elektrody - SLS Elementy wykonane z DirectSteel 20

48 Wykonanie elektrody - SLS Element z DirectMetal 20. Przed usunięciem z płyty roboczej i obróbką śrutowaniem

49 Wykonanie elektrody - SLS Wkładka matrycowa wykonana z materiału DirectMetal. Przed usunięciem z płyty roboczej, po obróbce śrutowaniem

50 Wykonanie elektrody - SLS Element z DirectMetal20 wykonany w IZTW. Przed usunięciem z płyty roboczej i śrutowaniem oraz po obróbce śrutowaniem

51 Wykonanie elektrody - SLS Elementy wykonane z DirectSteel 20 (prototypy noŝyków do maszynki do mielenia)

52 Wykonanie elektrody - SLS

53 Podsumowanie (1): opracowano podstawy związane z zastosowaniem metod inŝynierii odwrotnej do korekcji kształtu elektrody roboczej w obróbce elektrochemicznej; przeanalizowano metody znalezienia kształtu elektrody roboczej w pierwszym przybliŝeniu; przedstawiono moŝliwości i ograniczenia realizacji korekcji ER z zastosowaniem skanowania przestrzennego;

54 Podsumowanie (2): Przeprowadzone prace pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków: zastosowanie metod inŝynierii odwrotnej wymaga przygotowania danych o kształcie PO/ER w odpowiednim formacie (chmura punktów lub STL); przeprowadzenie wszystkich etapów związanych z korekcją kształtu ER wymaga przeprowadzenia szeregu prac manualnych tj. opracowanie danych ze skanowania, analiza odchyłek czy wyrównanie tablicy odchyłek z tablicą opisującą kształt ER; rozpięciem regularnej siatki prostokątnej na chmurze punktów opisującej kształt ER (w celu przeprowadzenia korekcji) wymagają zastosowania metod interpolacyjnych Dalsze prace doświadczalne są prowadzone dla powierzchni opisujących kształt łopatek silników przepływowych;

55 Dziękuje za uwagę!!!