WYKORZYSTANIE TECHNIK RP W PROTOTYPOWANIU I BADANIACH PRZEKŁADNI ZĘBATYCH Z TWORZYW POLIMEROWYCH

Transkrypt

1 MARIUSZ SOBOLAK, PATRYCJA EWA JAGIEŁOWICZ * WYKORZYSTANIE TECHNIK RP W PROTOTYPOWANIU I BADANIACH PRZEKŁADNI ZĘBATYCH Z TWORZYW POLIMEROWYCH USING RAPID PROTOTYPING FOR PROTOTYPING AND RESEARCH OF POLYMER TRANSMISSIONS S t r e s z c z e n i e A b s t r a c t W niniejszym artykule przedstawiono różne obszary zastosowań technologii szybkiego prototypowania w prototypowaniu i badaniach przekładni z tworzyw sztucznych. Technologie szybkiego prototypowania używane są klasycznie do tworzenia trójwymiarowych modeli na podstawie modeli numerycznych. Przedstawiono także inne możliwości zastosowania tych technologii a mianowicie w odniesieniu do badań. Z technologii tych skorzystano w elastooptyce i w badaniu śladu styku. Słowa kluczowe: Szybkie prototypowanie, koła zębate z tworzyw polimerowych The paper shows different applications of Rapid Prototyping techniques for prototyping and research of polymer transmissions. Rapid Prototyping techniques are classically used to create 3D models on the basis of numerical models. In the paper are also shown the possibilities of usage of these techniques, namely with reference to research. The technologies are used in the photo-elasticity and research of tooth contact analysis. Keywords: Rapid Prototyping, plastic gears * Dr hab. inż. Mariusz Sobolak, prof. PRz, mgr inż. Patrycja Ewa Jagiełowicz, Katedra Konstrukcji Maszyn, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska.

2 Wstęp Przekładnie zębate wykonywane z dobrej jakości tworzyw sztucznych mają coraz większe znaczenie w produkcji maszyn oraz urządzeń. Także tendencja stosowania do prototypowania kół zębatych technik Rapid Prototyping stała się szczególnie widoczna w ostatnich latach wraz z powstaniem i rozwojem tych technik. Przekładnie zębate z tworzyw polimerowych spełniają wymagania stawiane większości kół stosowanych w przemyśle elektromaszynowym, w tym także ekologicznych. Zalety tworzyw sztucznych, takie jak: wysoka odporność na ścieranie, duża wytrzymałość mechaniczna i odporność chemiczna, wysokie temperatury użytkowe, długa żywotność i odporność na korozję, bezobsługowość czy cichobieżność, sprawiają, że w pewnych zakresach zastosowań zastępują koła z materiałów metalowych. Problemem jest jednak nadal niewielka sprawność przekładni z takimi kołami. Dlatego też koła takie nie znajdują zastosowania w napędach eksploatowanych w sposób ciągły i w przekładniach mocy, a jedynie w takich, które pracują sporadycznie (np. napęd wycieraczek w samochodzie, napęd szyb w samochodzie, napędy sprzętu gospodarstwa domowego). Pojawiają się coraz nowsze rozwiązania konstrukcyjne kół z tworzyw polimerowych. Dzieje się tak, dlatego że powoli przełamywane są stereotypy, według których koła takie były projektowane na podobieństwo metalowych, które z kolei wykonywane były (i są nadal) klasycznymi metodami obróbki skrawaniem. W formach wtryskowych możliwe jest wykonanie bardziej skomplikowanych kształtów niż te, które wynikają z zastosowania klasycznych metod obróbki kół [2]. Wykonanie formy wtryskowej jest kosztowne, dlatego też coraz częściej do wytwarzania prototypów korzysta się z technik szybkiego prototypowania w celu wytworzenia przekładni do wstępnych badań. W nin. artykule przedstawiono przykładową drogę wykorzystania technik szybkiego prototypowania w wytworzeniu i przebadaniu prototypowych przekładni. Nowością jest pośrednie zastosowanie technik szybkiego prototypowania w badaniu przekładni zębatych. 2. Wykonanie prototypu przekładni Jednym z obszarów zastosowania technik RP jest wytwarzanie prototypów badawczych przekładni zębatych. Na rys. 1 przedstawiono schemat zastosowania technik RP w wytworzeniu prototypu i badaniach przekładni z tworzyw polimerowych. Do wytworzenia prototypu niezbędny jest model 3D wykonany w systemie CAD. Modele CAD tworzone są różnymi technikami. Model taki może zostać zbudowany: przy użyciu technik bryłowej symulacji obróbki w środowisku CAD [10], na podstawie modeli matematycznych (np. równanie ewolwenty), z użyciem skanera 3D (w przypadku odtwarzania). Ze względu na specyfikę kół zębatych i wymagane dokładności skanowanie 3D używane jest głównie w celu identyfikacji koła, które następnie modelowane jest jednym z dwu pierwszych sposobów. Na podstawie modelu CAD możliwe jest wykonanie modeli kół z użyciem przyrostowych technik prototypowania (przykładowo stereolitografia czy FDM) [3, 5, 8]. Spośród wielu technik przyrostowych RP wybrano dwie, różniące się dokładnością i wytrzymałością modelu.

3 161 Rys. 1. Zastosowanie technik RP w wytworzeniu prototypu i badaniu przekładni zębatych z tworzyw polimerowych Fig. 1. Usage of Rapid Prototyping techniques for prototyping and research of polymer transmissions Stereolitografia jest jedną z dokładniejszych technik RP. Modele w porównaniu do innych technik są dokładniejsze, jednakże cechują się niewielką wytrzymałością mechaniczną, dlatego nie nadają się do przenoszenia obciążeń i są jedynie stosowane jako modele geometryczne lub wzorcowe do przygotowania prototypu innymi metodami [1]. Ze względu na dużą dokładność geometryczną model stereolitograficzny można wykorzystać jako wzorzec do wytworzenia serii modeli badawczych z zastosowaniem odlewania próżniowego. Do wykonania prototypów użytkowych używa się odlewania próżniowego, gdzie dodatkowo możliwe jest wykonanie modeli z różnych materiałów polimerowych. Zastosowanie znajdują również inne techniki RP, pozwalające uzyskać wprost model badawczy przykładowo FDM, jednakże występują tu ograniczenie materiałowe, jak i dokładnościowe.

4 162 Na rys. 2 pokazano przykładowy model CAD przekładni wichrowatej (do badań śladu styku użyto wycinków kół). Rys. 2. Koła zębate przekładni wichrowatej walcowej Fig. 2. Gears of crossed transmission Na podstawie przestrzennych modeli CAD przygotowywana jest technologia wytworzenia modeli technikami RP. Na rys. 3 pokazano wirtualne modele kół zębatych przekładni wichrowatej przygotowane do wytworzenia na aparaturze stereolitograficznej w programie Lightyear. Rys. 4 pokazuje fragment procesu utwardzania wycinka koła zębatego w aparaturze SLA 250. Jak widać, w pierwszej kolejności utwardzona została obwiednia przedmiotu, a następnie pole przekroju (czas naświetlania zdjęcia wyniósł 30 s). Rys. 3. Przygotowanie technologii wytworzenia Fig. 3. Elements of transmission prepared for formation

5 163 Rys. 4. Utwardzanie koła zębatego w aparaturze SLA250 Fig. 4. Hardening of layer of gear in SLA-250 apparatus Rys. 5 przedstawia gotowe modele kół zębatych po postprocesingu zestawione w przyrządzie w przekładnię. Rys. 5. Gotowe modele fizyczne wycinków kół zestawione w przekładnię Fig. 5. Finished models of gears sectors set up transmission

6 164 W przypadku, gdy modele stereolitograficzne wykonano z żywicy gwarantującej największą dokładność wymiarową, są one stosunkowo mało wytrzymałe. Nadają się na modele pokazowe demonstracyjne lub do badań statycznych z zastosowaniem zasady podobieństwa modelowego. W przypadku, gdy konieczne jest wykonanie badań z materiałów zbliżonych do tych, z których będzie wykonywana rzeczywista przekładnia, konieczne jest zastąpienie materiału stereolitograficznego innym, bardziej wytrzymałym. W tym celu stosuje się odlewanie próżniowe. Dostępna jest szeroka gama tworzyw polimerowych, które można zastosować. Należy stosować takie, które właściwościami są możliwie najbardziej zbliżone do docelowych. Na rys. 6 pokazano modele stereolitograficzne kół małej przekładni planetarnej przygotowane do odlewania próżniowego. Jak widać, modele wykonano od razu z odpowiednimi kanałami zasilającymi i odpowietrzającymi. Materiał stereolitograficzny jest przezroczysty, podobnie jak silikon, z którego wykonywana jest forma, dlatego w celu ułatwienia rozcinania formy wybrane powierzchnie oznaczono kolorem. Rys. 6. Modele stereolitograficzne przygotowane do odlewania próżniowego Fig. 6. Stereolithographic models prepared for vacuum casting Rys. 7. Wytworzenie formy silikonowej: a zalewanie formy, b zalane formy, c gotowa rozcięta matryca Fig. 7. Formation of silicon mould matrix: a pouring over matrix, b poured matrices, c finished and split matrix

7 165 Modele umieszczono w odpowiednich pojemnikach i zalano odgazowanym silikonem (rys. 7), po czym ponownie odgazowano przy bardzo niskim ciśnieniu w komorze aparatury próżniowej i dosieciowano w piecu. Rysunek 7c pokazuje gotową, rozciętą matrycę wielokrotną. Umieszczenie kliku drobnych elementów w jednej matrycy przyspiesza znacznie proces prototypowania. Proces odlewania użytkowego prototypu w formie silikonowej można wykonać na dwa sposoby: odlanie tworzywa polimerowego w komorze aparatury próżniowej (rys. 8a), wtrysk niskociśnieniowy (rys. 8b). Rys. 8. Wypełnianie matrycy: a w próżni, b wtryskiem niskociśnieniowym Fig. 8. Filling the matrix: a in vacuum, b by low pressure injection Ponieważ forma silikonowa może być użyta wielokrotnie, możliwe jest wytworzenie krótkich serii prototypów, także z różnorodnych materiałów. Rysunek 9 pokazuje modele kół wykonane z żywicy poliuretanowej. Rys. 9. Modele kół z żywicy poliuretanowej po wyjęciu z formy (widoczne kanały zasilające i odpowietrzające) Fig. 9. Polyurethane resin models after removal from matrix (visible delivery and vent channels)

8 166 Na rys. 10a pokazano gotowe elementy przekładni z rys. 2a gotowe do badań eksploatacyjnych, a na rys. 10b gotową seryjnie produkowaną przekładnię. Rys. 10. Przekładnia planetarna: a prototyp, b produkowana seryjnie Fig. 10. Planetary gear: a prototype, b mass-produce 3. Zastosowanie technik RP w badaniu przekładni zębatych Jedną z zalet stereolitografii jest to, że modele wykonywane mogą być z przezroczystej żywicy. Dodatkowo żywica Sl5170, z której wykonano koła, ma właściwości fotooptyczne. Materiał ten pod obciążeniem wykazuje właściwości anizotropowe, przejawiające się, m.in. dwójłomnością optyczną. Dlatego też może zostać zastosowany w eksperymentalnej analizie stanu naprężeń i odkształceń [9]. Na rys. 11 przedstawiono przykładową przekładnię obciążoną momentem statycznym. Przekładnię oświetlono światłem spolaryzowanym i obserwowano przez filtr polaryzacyjny. Rys. 11. Zastosowanie modelu stereolitograficznego w elastooptyce Fig. 11. Using stereolithographic model in photo-elasticity Nowym obszarem zastosowania technik szybkiego prototypowania w badaniu kół zębatych jest zamrażanie odkształceń. Metoda polega na tym, że w odkształcona pod wpływem statycznego obciążenia przekładnia umieszczona w odpowiednim pojemniku

9 167 zalewana jest (z zastosowaniem techniki Vacuum Casting) silikonem, tak jak w przypadku wytwarzania matryc. W ten sposób zostają utrwalone odkształcenia, jakie występują w obciążonym modelu. W przypadku kół zębatych ważne jest wyznaczenie śladu styku, który występuje między zębami przy danym obciążeniu. Na rys. 12a przedstawiono wykonany techniką stereolitografii fragment przekładni wichrowatej z rys. 2b, przygotowany do obciążenia i zalania silikonem, a na rys. 12b rozciętą matrycę po usunięciu jednego z kół, gdzie widoczny jest ślad styku (A), który został utrwalony w silikonie. Rys. 12. Zamrażanie odkształceń: a model badawczy, b rozcięta forma Fig. 12. Freezing deformation: a test model, b split matrix Możliwa jest także bezpośrednia obserwacja śladu styku, jaki występuje między zębami, jeżeli koła wykonano jako przezroczyste (stereolitografia) rys. 13. W celu ułatwienia obserwacji śladu styku powierzchnię modelu zwilża się detergentem [4, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15]. Rys. 13. Bezpośrednia obserwacja śladu styku (A) w obciążonej przekładni zębatej stożkowej (ślad oznaczono linią kropkową) Fig. 13. Direct observation of temporary tooth contact (A) between teeth of loaded bevel gear pair (tooth contact outline with dashed line)

10 Wnioski Techniki Rapid Prototyping znajdują coraz większe zastosowanie przy wytwarzaniu i badaniach prototypów kół zębatych. Jak pokazano w artykule, techniki Rapid Prototyping stosowane są w różnych obszarach związanych z wytwarzaniem i badaniem przekładni zębatych z tworzyw polimerowych. Techniki te służą do: wytworzenia prototypu z modelu CAD, wytworzenia prototypu przez skopiowanie istniejącego modelu, badań elastooptycznych, badań śladu styku: metodą bezpośredniej obserwacji lub metodą zamrażania odkształceń. Dzięki zastosowaniu technik szybkiego prototypowania możliwe jest znaczne skrócenie badań nowych typów przekładni, wykonywanych z tworzyw sztucznych. Droga od modelu CAD do fizycznego prototypu koła trwa wtedy zwykle kilka dni. W przypadku wykonywania kół z tworzyw polimerowych w matrycach stalowych czas od modelu CAD do pierwszego wytworzonego koła wynosi minimum kilka tygodni, a ewentualne zmiany konstrukcyjne pociągają za sobą konieczność wykonania nowej matrycy, a co za tym idzie ogromne zwiększenie kosztów. Przy stosowaniu modeli RP możliwe jest wytworzenie serii kół badawczych, różniących się geometrią, a po przebadaniu ich do produkcji seryjnej można wybrać najlepszy wariant. Przy użyciu techniki Vacuum casting możliwe jest także dobranie tworzywa o odpowiednich właściwościach dla danej geometrii przekładni. Zastosowanie tworzywa czynnego optycznie pozwala na obserwację rozkładu naprężeń w zębach obciążonej statycznie przekładni. Jednym z głównych wyznaczników poprawności konstrukcji przekładni jest ślad styku występujący między zębami. Jak pokazano, techniki RP pozwalają na wyznaczanie takiego śladu. Artykuł został opracowany dzięki dofinansowaniu w ramach projektu badawczo- -rozwojowego N R /2008 L i t e r a t u r a [1] B u d z i k G., M a r k o w s k i T., S o b o l a k M., Analysis of Surface Roughness of Transmission Gear Teeth Made by Different Rapid Prototyping Methods, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No. 2, Warszawa 2008, s [2] B u d z i k G., M a r k o w s k i T., S o b o l a k M., Nowe możliwości w projektowaniu kół zębatych wykonywanych z tworzyw sztucznych, Acta Mechanica Slovaca, 2B/2006 PRO-TECH-MA, Košice 2006, s [3] B u d z i k G., M a r k o w s k i T., S o b o l a k M., Prototyping of Bevel Gears of Aircraft Power Transmission, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 14, No. 2, Warszawa 2007, s [4] B u d z i k G., M a r k o w s k i T., S o b o l a k M., Tooth contact analysis of hypoid gear transmission prototypes manufacturing with Vacuum Casting method, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 16, No , s

11 169 [5] B u d z i k G., S o b o l a k M., Prototypowanie kół zębatych dla sprzętu AGD, XXII Sympozjon Podstaw Konstrukcji Maszyn Gdynia Jurata, Tom 2, Wydawnictwo Fundacji Rozwoju Akademii Morskiej, Gdynia 2005, s [6] B u d z i k G., S o b o l a k M., Eksperymentalne określanie chwilowego śladu styku w przekładni z wykorzystaniem szybkiego prototypowania, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, 232, Mechanika, z. 69, Koła zębate KZ 2006, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2006, s [7] B u d z i k G., S o b o l a k M., Experimental Method of Tooth Contact Analysis (TCA) With Rapid Prototyping (RP) Use, Rapid Prototyping Journal, Vol. 14, No. 4, 2008, s [8] B u d z i k G., S o b o l a k M., Prototypowanie kół zębatych z wykorzystaniem stereolitografii i odlewania próżniowego, Konferencja naukowo-techniczna KZ 2004 Koła zębate 2004 Gears 2004, Rzeszów Bezmiechowa, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, nr 217, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2004, s [9] B u d z i k G., S o b o l a k M., Visualization of Internal Stress Pattern in Gears in Power Transmission System Using Rapid Prototyping (RP), Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No. 2, Warszawa 2008, s [10] J a g i e ł o w i c z P., Advanced Technologies in Production Engineering - Generating 3D gears models for the rapid prototyping, Politechnika Lubelska, 2009, s [11] J a g i e ł o w i c z P.E., S o b o l a k M., Experimental metod of tooth contact analysis of loaded bevel gears with Rapid Prototyping use, PRO-TECH-MA 09 Progressive Technologies and Materials, Rzeszów Bezmiechowa, 6 th 8th July 2009, Mat. Konf., s [12] J a g i e ł o w i c z P.E., S o b o l a k M., Preliminary research of prototypes helical gears for power transmission systems, Journal of Kones Powertrain and Transport, Vol. 16, No. 3, Warszawa 2009, s [13] S o b o l a k M., Eksperymentalna metoda określania chwilowego śladu styku w przekładni zębatej, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Poznań 2007, Vol. 27, No. 2, s [14] S o b o l a k M., Eksperymentalna metoda określania chwilowego śladu styku w przekładni zębatej, Przegląd Mechaniczny, nr 9, 2007, s [15] S o b o l a k M., Experimental method of tooth contact analysis (TCA) under load using Rapid Prototyping (RP), Journal of KONES, Vol. 14, No. 4, Warszawa 2007, s