dr hab. inż. Bogdan Dybała, prof. PWr Wrocław, 29 stycznia 2018 r. Wydział Mechaniczny Politechnika Wrocławska RECENZJA

Transkrypt

1 dr hab. inż. Bogdan Dybała, prof. PWr Wrocław, 29 stycznia 2018 r. Wydział Mechaniczny Politechnika Wrocławska RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Pawła ROCZNIAKA pt.: Wpływ wybranych czynników technologicznych, materiałowych i kosztowych na wytwarzanie prototypów elementów maszyn metodami przyrostowymi Recenzję sporządzono na zlecenie Dziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej, prof. dr hab. inż. Tomasza Nowakowskiego (pismo nr W10/41d/143/2017 z dnia 21 listopada 2017 r.) Wstęp Przedstawiona praca doktorska podejmuje temat w obszarze technologii przyrostowych, rozwijanym na Politechnice Wrocławskiej od niemal 20 lat w Zakładzie, a teraz Katedrze, Profesora Edwarda Chlebusa. Doktorant zajmował się tam w szczególności metodami Rapid Tooling szybkiego wytwarzania narzędzi produkcyjnych, czyli bezpośredniego lub pośredniego wytwarzania technologiami przyrostowymi narzędzi dla technologii konwencjonalnych, i o tym właśnie traktuje jego dysertacja. Metody Rapid Tooling w swojej złożoności nie są proste, zawierają wiele różnych procesów technologicznych i dla każdego z nich należy znać możliwości i ograniczenia zarówno materiałów (z pełnego spektrum: polimerowych, ceramicznych i metalowych), jak i stosowanych technologii, tych bardziej innowacyjnych przyrostowych, ale i tych konwencjonalnych formowania polimerów czy metali. Rozwój metod Rapid Tooling datuje się od połowy lat 1990-tych, po dekadzie nieco o nich zapomniano, ale wracają do łask wraz z postępem technologii przyrostowych, lepiej dzisiaj przygotowanych do wytwarzania gotowych narzędzi produkcyjnych. Niektóre zagadnienia wciąż pozostają nie do końca poznane, więc praca doktorska autora pełna jest ciekawych wyników badań i wniosków. Wśród przebadanych na potrzeby pracy technologii przyrostowych znaleźć można te z kategorii wytłaczanie materiału, natryskiwanie materiału i spiekanie proszków, które były przez autora wykorzystywane do wytwarzania wzorców lub rdzeni do budowy form. Jeśli chodzi o technologie konwencjonalne, w pracy opisano badania nad odlewaniem chemoutwardzalnych tworzyw sztucznych (autor nazywa taki proces Vacuum Casting) i odlewaniem metali nieżelaznych (nazywanym w pracy Metal Part Casting). Opisano także oczywiście procesy przygotowywania narzędzi silikonowych form do odlewania tworzyw i ceramicznych form do odlewania metali. Oceniana praca doktorska liczy 192 strony i jest podzielona na 9 rozdziałów, zawiera też wykaz akronimów, streszczenia w języku polskim i angielskim oraz spis treści i spis 1

2 literatury. Bibliografia obejmuje 137 pozycji, z których znakomitą większość stanowią książki, artykuły w czasopismach i inne publikacje zwarte, tylko 6% to źródła internetowe. Większość pozycji to źródła nowe, nie starsze niż kilka-kilkanaście lat, co ma duże znaczenie przy nowatorskich cechach opisywanych zagadnień. Pracę charakteryzuje dobry poziom edytorski, zawiera starannie wykonane wykresy, rysunki i zdjęcia oraz stosuje się do podstawowych zasad typografii, mimo pewnych problemów z odstępami między elementami tekstu. Język pracy jest właściwy dla publikacji naukowych, choć niekiedy przesycony specjalistycznym żargonem. Charakterystyka rozprawy doktorskiej Recenzowana praca ma strukturę tradycyjną rozpoczyna się od wprowadzenia do opisu technologii przyrostowych, nazywanych przez autora GTW Generatywnymi Technologiami Wytwarzania, zawiera przegląd literatury przedmiotu, po czym następuje sformułowanie celu pracy, a następnie opis metod badawczych i wyników badań realizujących wyznaczony cel, oraz wnioski końcowe. W rozdziale pierwszym autor przedstawił znaczenie i historię technologii przyrostowych oraz rodzaje ich zastosowań: szybkie wytwarzanie prototypów (Rapid Prototyping), szybkie wytwarzanie narzędzi produkcyjnych (Rapid Tooling) i szybkie wytwarzanie wyrobów gotowych (Rapid Prototyping), ze szczególnym uwzględnieniem tego drugiego rodzaju, jako bezpośrednio związanego z tematem pracy, i z wprowadzeniem terminu Rapid Casting na określenie takiego podzbioru metod Rapid Tooling, w którym narzędzia służą do odlewania metali. Uwaga 1: W rozdziale pierwszym pojawia się, a w kolejnych jest kontynuowane, kontrowersyjne rozróżnienie metod pośrednich od bezpośrednich w Rapid Tooling/Rapid Casting. O ile oczywiste jest stanowisko, w którym autor za metodę pośrednią uznaje wieloetapowy proces prowadzący od przyrostowego wytworzenia wzorca (o pozytywowym kształcie, nazywanego tutaj master model ), przez odformowanie firmy silikonowej (o kształcie negatywowym), odlanie w niej woskowej kopii wzorca (znowu pozytyw), zastosowanie tej kopii jako traconego rdzenia przy tworzeniu ceramicznej formy (ponownie negatyw), do odlewania w takiej formie metalowej części (ostateczny pozytyw), o tyle zaliczanie przez autora do metod bezpośrednich procesu prowadzącego od przyrostowego wytworzenia traconego rdzenia (pozytyw), przez wytworzenie z jego pomocą ceramicznej formy odlewniczej (negatyw), do odlania w takiej formie metalowej części (pozytyw) jest już trudniejsze do akceptacji. Co prawda istnieją publikacje promujące takie podejście terminologiczne, ale w przeważającej większości literatury przedmiotu za metodę bezpośrednią uznaje się tylko wytworzenie za pomocą technologii przyrostowych gotowej formy i wykorzystanie jej w którejś z technologii konwencjonalnych (formowaniu wtryskowym, odlewaniu, obróbce plastycznej itp.). 2

3 We Wprowadzeniu autor opisał również oficjalną klasyfikację technologii przyrostowych według normy ASTM i podział według różnych kryteriów: danych wejściowych, metody wytwarzania, stosowanego materiału i docelowego zastosowania. Przedstawione są też zalety i wady GTW. W rozdziale drugim zawarto skrócone wyniki studiów literaturowych w trzech obszarach związanych z badaniami doktoranta: dokładności wymiarowo-kształtowej osiąganej w wytwarzaniu metodami Rapid Tooling, problemów występujących podczas wykorzystywania takich metod i sposobów ich rozwiązywania oraz w porównaniach skuteczności różnych technologii w Rapid Casting. Skrócona forma w przedstawianiu literatury przedmiotu oznacza, że autor przywołał około 50 publikacji naukowych i opisał ich cele i rodzaj zaprezentowanych w nich badań, ale nie sformułował szerszych wniosków, wskazujących na ewentualne braki czy niedostateczną jakość aktualnego stanu wiedzy, zadowalając się jedynie krótką opinią o ilości i skali takich badań (są niewystarczające) oraz publikowanych przykładach (są względem siebie niespójne i nie dotyczą najnowszych technologii). W rozdziale trzecim doktorant uzasadnił i sformułował główny cel swojej pracy doktorskiej, jakim była Identyfikacja oraz analiza przyczyn powstawania niedokładności geometrycznych, strukturalnych i powierzchniowych w procesach wytwarzania wykorzystujących technologie RP/RT, oraz cele dodatkowe: opracowanie metod badawczych związanych z postawionym celem głównym i wyznaczenie najważniejszych parametrów dotyczących czynników technologicznych, materiałowych i ekonomicznoczasowych związanych bezpośrednio z procesem wytwarzania. Zaprezentował także opracowany przez siebie diagram Ishikawy z czynnikami wpływającymi na efekt wytwarzania metodami RT oraz odpowiadający pokazanej tam systematyce zakres badań podjętych w ramach pracy i opisanych w kolejnych rozdziałach dysertacji: 1. Badania procesu technologicznego (czynnik Proces na diagramie) 2. Badania możliwości technologicznych ( Cechy technologiczne ) 3. Badania dotyczące materiałów ( Materiał ) 4. Badania nad aspektami kosztowo-terminowymi ( Koszty ) 5. Weryfikacja wybranych metod RT w środowisku przemysłowym Zanim jednak przeszedł do opisywania badań zgodnie z podaną wyżej kolejnością, w rozdziale czwartym autor opisał zastosowane w pracy metody pozyskiwania danych podczas pomiarów i symulacji. Ta część dysertacji poświęcona jest inżynierii odwrotnej i metrologii autor opisał tutaj i ocenił przydatność do swoich celów różnych technik pomiarów współrzędnościowych 3D, i symulacjom numerycznym procesów technologicznych autor przedstawił zastosowaną podczas realizacji pracy metodę obliczania przebiegu wypełniania formy podczas odlewania (może nieco zbyt pobieżnie). Uwaga 2: Autor nie ustrzegł się w tym rozdziale pewnych nieścisłości: w tabeli 5 można znaleźć na przykład możliwość skanowania automatycznego dla skanerów dotykowych, do których zalicza on ramiona pomiarowe, a w tabeli 6 zmianę optyki jako warunek dobrej dokładności dla stykowych systemów pomiarowych. Rozdział piąty pracy rozpoczyna opis wyników badań eksperymentalnych w dysertacji. Poświęcony jest analizie najważniejszych czynników związanych z procesem wytwarzania 3

4 przy zastosowaniu metod RC. Wśród tych czynników wyróżnione są modelowanie i przygotowanie danych oraz planowanie procesu wytwarzania i jego parametrów technologicznych. W podrozdziale 5.1 autor opisał zasady generowania danych dla systemów GTW z modeli CAD, np. zgodność kształtu opisanego siatką trójkątów z kształtem zawierającym powierzchnie swobodne w modelu CAD. Spostrzeżenie: a) W rozdziale 5.1 określenie darmowy serwis grabcad.com jest nie do końca ścisłe zasady korzystania z tego serwisu przewidują brak opłat tylko w przypadku użytku niekomercyjnego. W podrozdziale 5.2 autor wybrał na przedmiot badań trwałość narzędzia silikonowej formy w odlewaniu próżniowym tworzyw chemoutwardzalnych. Uwaga 3: Pomimo wykonania dużej ilości eksperymentów końcowa konkluzja jest nieco zbyt ogólnikowa, wykresy na rysunkach 70 i 71 nie mają oznaczeń błędów, a wyniki wyglądają na statystycznie mało istotne przy wartościach różnic między kolejnymi cyklami porównywalnych z niepewnością pomiarów zastosowanej techniki pomiarowej. Kolejne podrozdziały przedstawiają badania procesów wytapiania i wypalania traconych rdzeni, odlewania próżniowego tworzyw, projektowania układów wlewowych w formach silikonowych i ceramicznych, odlewania metali reaktywnych (magnezu) oraz zasad projektowania struktur wspierających w technologiach przyrostowych. Zakres badań był bardzo szeroki, wykorzystywane narzędzia badawcze bogate (symulacje numeryczne, pomiary 3D, tomografia komputerowa), a celem badań było polepszenie jakości rezultatów badanych procesów wyrobów metalowych. Często jednak autor nie opisał procedur testowych, zasad doboru parametrów początkowych albo kryteriów prowadzonych optymalizacji, więc trudno ocenić efekty poszczególnych badań. W rozdziale szóstym pracy zaprezentowano wyniki badań mających na celu ocenę zdolności wybranych technologii do wytwarzania części o wysokich wymaganiach w zakresie dokładności wymiarowo-kształtowej. W tym celu doktorant wytwarzał różnymi metodami wzorce geometryczne (pierścień, prostopadłościan i specjalnie zaprojektowana płyta z kształtami o wybranych cechach konstrukcyjnych w różnej skali, np. wąskie ścianki i szczeliny o różnych szerokościach, otwory o różnych promieniach i różnej orientacji), a następnie mierzył ich dokładność wymiarową. W wielu przypadkach brak jednak informacji o niepewności pomiarów, co utrudnia interpretację zademonstrowanych wyników. Uwaga 4: W podrozdziale 6.1 przyjęta metoda określania odchyłek wymiarowych dla pierścienia jest nieco myląca analizowane są odchyłki nie od wymiarów pierwotnego wzorca tylko od wirtualnych walców opisanych na rzeczywistych kształtach woskowych odlewów, z uzasadnieniem, że świadczą one o naddatkach materiału na obróbkę wykańczającą. To jakie zaplanować naddatki powinno być moim zdaniem analizowane w kolejnym kroku, po ocenie bezwzględnej dokładności wytwarzania. 4

5 Uwaga 5: Wartościowy podrozdział 6.3 o wdrożeniu przemysłowym nie został właściwie podsumowany. Czy eksperyment się powiódł i zastosowana technologia została przez partnera przemysłowego uznana za przydatną do jego celów? Spostrzeżenia: b) We wzorze 6.2 (str. 101) wkradł się błąd: zamiast δ 2 f powinno być δ f 2. c) W tabelach 17, 18 i 19 zamienione są opisy kolumn: Orientacja na platformie z Kolejny numer modelu. d) W tabeli 20 zapis tolerancja T ± 0,30 mm jest niewłaściwy i nie do końca zrozumiały: zapewne chodziło o maksymalne odchyłki wymiarowe powyżej 0,30 mm. Podobnie z pozostałymi zapisami tego typu: tolerancja T ± > 0,30 0,15 mm i tolerancja T ± 0,15 mm. e) Zabawna literówka zdarzyła się na stronie 121 (odwołanie do tabeli) i 124 (nagłówek tej tabeli). Rozdział siódmy traktuje o materiałach w metodach Rapid Casting i przedstawia wyniki badań właściwości materiałowych rdzeni do form odlewniczych oraz części wytworzonych albo z tworzyw odlewanych w formach silikonowych albo z metali odlewanych w formach ceramicznych. Celem badań było określenie wpływu parametrów technologicznych na te właściwości. Badania zawierały próby wytrzymałościowe (zginanie, ściskanie) oraz pomiary lejności i palności tworzyw sztucznych. Ponownie, często brakuje informacji statystycznych o liczbie przebadanych próbek, rozrzucie wyników czy niepewności pomiarów. Ostatni eksperymentalny rozdział ósmy poświęcony jest analizie czaso- i kosztochłonności metod Rapid Casting. Doktorant przeprowadził obliczenia porównawcze czasów i kosztów wytworzenia dwóch serii produktów komercyjnych technologiami konwencjonalnymi na podstawie informacji od zleceniodawców, i metodami Rapid Casting na podstawie projektów zrealizowanych w laboratorium. Zaprezentowane informacje są bardzo ciekawe i zwykle trudne do znalezienia w literaturze. Jedynym zarzutem, jaki można postawić, jest pominięcie w jednym z obliczeń czasu transportu części spoza UE, którego uwzględnienie mogłoby zasadniczo zmienić obliczony całkowity czas wytwarzania. Uwaga 6: Jak to możliwe, że pokazany na rysunku 195 koszt wytwarzania tego samego produktu poza granicami Unii Europejskiej jest cztery razy wyższy niż w Unii? Czyżby oferty przyszły tylko z Japonii? W rozdziale dziewiątym doktorant zamieścił podsumowanie swoich prac badawczych oraz zarysował kierunki badań w tym obszarze na przyszłość. Przedstawione wnioski są powtórzeniem kluczowych rezultatów badań opisanych w rozdziałach 5-8 dysertacji. Brakuje nieco wniosków ogólniejszych, dotyczących całej pracy. Wśród perspektywicznych kierunków badań na wyróżnienie zasługuje propozycja implementacji technologicznej bazy danych dla metod Rapid Casting, opartej na wynikach badań doktoranta i rozszerzanej o kolejne technologie stosowane w tych metodach. Taka baza wiedzy mogłaby pomóc firmom przemysłu wytwórczego w racjonalnym wykorzystaniu możliwości oferowanych przez metody szybkiego odlewania. 5

6 Rozdział dziesiąty to spis publikacji, do których odwołał się autor w swojej pracy doktorskiej. Spis literatury zaplanowany został jako uzupełniany na końcu nowymi pozycjami w miarę pojawiania się pierwszych do nich odwołań. Taki porządek jest rzadko stosowany, ponieważ nie ułatwia później analizy bazy literaturowej. Niestety, najwidoczniej autor nie zautomatyzował tej procedury i w miarę dodawania nowych fragmentów tekstu podczas pracy nad dysertacją nie przenumerowywał spisu i nie modyfikował już istniejących odwołań, tylko dodawał kolejne pozycje na końcu spisu, co doprowadziło do utraty zaplanowanego porządku (np. odwołanie do pozycji [57] poprzedza odwołanie do pozycji [49], a [82, 83] poprzedza [66]). Opisy bibliograficzne też nie zawsze są kompletne, np. zwykle brakuje informacji o numerach/woluminach czasopisma, podany jest tylko rok ich wydania. Ocena rozprawy Oceniana praca jest wartościowa i dotyczy istotnego problemu naukowego. Zdefiniowany cel rozprawy został osiągnięty. Za szczególny dorobek autora można uznać następujące osiągnięcia zaprezentowane w pracy: Przegląd stanu wiedzy w zakresie metod Rapid Casting Analiza czynników technologicznych związanych z procesem wytwarzania w takich metodach Analiza możliwości wytwarzania wyrobów o wymagających cechach konstrukcyjnych w metodach RC Analiza właściwości wybranych materiałów stosowanych w metodach RC Ocena aspektów kosztowo-czasowych metod szybkiego odlewania na wybranych przykładach praktycznych Praca ma charakter oryginalny i wyniki są interesujące, wnosząc ważny wkład w rozwój technologii wytwarzania. Uwagi do rozprawy doktorskiej Numerowane Uwagi zamieszczono w tekście niniejszej recenzji, wymagają one ustosunkowania się ze strony doktoranta. Poniżej kolejne drobniejsze Spostrzeżenia dotyczące pracy, niewymagające już odpowiedzi: f) Niepoprawna w pracy jest dość często interpunkcja, zwłaszcza w zakresie zastosowania przecinków. g) Zdarzają się w tekście błędy ortograficzne, najczęściej proste literówki, które powinny były być przecież łatwo zauważone dzięki wskazówkom dzisiejszych edytorów tekstów. h) Zdarzają się w pracy fragmenty z przerysowanym stylem, np. Procesowi analizy zużycia narzędzia poddano etap formowania próżniowego (str. 66), lub niepoprawną czy niekompletną składnią, np. warunkiem jest narażanie powierzchni ciekłego metalu z powietrzem (str. 79). 6

7 i) Niewłaściwe jest moim zdaniem zbyt częste używanie słowa model na wytwory opisywanych technologii w rzeczywistości rzadko są to obiekty przeznaczone do testowania i badań (bo taka jest rola modeli ), ich cel jest bardziej użytkowy mają być wzorcami dla formowania narzędzi lub gotowymi wyrobami, ewentualnie prototypami takich wyrobów. j) Podobnie niewłaściwe, choć niestety ostatnio dość często spotykane w piśmiennictwie technicznym i inspirowane przez literaturę angielskojęzyczną, jest używanie słowa geometria na oznaczenie kształtu lub formy (np. w ocenianej pracy: skomplikowana geometria systemu chłodzącego, geometria przepływu ). Geometria to przede wszystkim nazwa dyscypliny działu matematyki zajmującego się badaniem figur geometrycznych i zależności między nimi. k) Niezrozumiałe jest stosowanie wielokropków na rysunkach 29, 50 i 65. To są wykresy ukazujące albo zidentyfikowane przez autora technologie z obszaru Rapid Casting (rys. 29 i 65) albo zidentyfikowane czynniki wpływające na efekty Rapid Casting (rys. 50). Tam nie powinno być już pozycji typu i więcej nie znam. Może lepiej usunąć wielokropki albo zamiast nich wstawić zapisy i inne (technologie)? l) Niepotrzebne wydaje się oznaczanie wszystkich własnych rysunków i wykresów zapisem [materiały własne]. To raczej oczywiste, że wszystkie materiały nieoznaczone odwołaniem do zewnętrznego źródła muszą być dziełem autora pracy. Podsumowanie Przedstawiona praca jest oryginalnym rozwiązaniem problemu naukowego i wykazuje ogólną wiedzę teoretyczną doktoranta w dyscyplinie naukowej budowa i eksploatacja maszyn oraz jego umiejętność samodzielnego prowadzenia pracy naukowej. Uważam, że rozprawa doktorska pana mgr inż. Pawła Roczniaka pt.: Wpływ wybranych czynników technologicznych, materiałowych i kosztowych na wytwarzanie prototypów elementów maszyn metodami przyrostowymi spełnia wymagania Ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (z dnia 14 marca 2003 r. i późniejszymi zmianami) i wnoszę o dopuszczenie jej autora do publicznej obrony. 7