BUDZIK Grzegorz 1 SOŁTYS Sławomir 2 CYGNAR Mariusz 3 DOBROWOLSKA Anna 4 OLEKSY Mariusz 5

Transkrypt

1 BUDZIK Grzegorz 1 SOŁTYS Sławomir 2 CYGNAR Mariusz 3 DOBROWOLSKA Anna 4 OLEKSY Mariusz 5 Analiza możliwości zastosowania metod Rapid Tooling do wytwarzania innowacyjnych narzędzi stosowanych w produkcji elementów optycznych wyposażenia pojazdów samochodowych WSTĘP Innowacyjne metody wytwarzania wspomagane komputerowo stosowane są obecnie niemal we wszystkich gałęziach przemysłu w tym przemyśle motoryzacyjnym oraz związanych z nim branżach m.in. w branży optycznej [1-5]. Nowoczesny pojazd wyposażony jest w szereg rozwiązań ułatwiających funkcjonowanie kierowcy w których stosuje się elementy optyczne, można tu wymienić oświetlenie wewnętrzne i zewnętrzne pojazdu, systemy wizyjne itp. W systemach tych stosuje się innowacyjne układy optyczne, których wykonanie wymaga zastosowania zaawansowanych technologii m.in. opartych o systemy szybkiego prototypowania (ang. Rapid Prototyping RP). Metody Rapid Tooling (RT) czyli metody szybkiego wytwarzania narzędzi produkcyjnych stosowanych w kolejnych etapach procesu technologicznego należą do grupy technik szybkiego wytwarzania prototypów (RP). Zastosowanie metod RP i RT przyspiesza znacznie proces otrzymywania nowych rozwiązań oraz modernizacji już istniejących. Prototypy i prototypowe narzędzia wykonywane metodami RP i RT mają wielorakie zastosowanie w procesie wytwórczym. Mogą one być stosowane jako modele badawcze w warunkach rzeczywistych a także odbiegających od rzeczywistych parametrów pracy. Prototypy mogą służyć jako modele wzorcowe do wykonania narzędzi stosowanych do wytwarzania elementów optycznych z materiałów polimerowych. Stosując metody Rapid Tooling można również w sposób bezpośredni w procesie przyrostowym lub hybrydowym wytworzyć narzędzia do kształtowania elementów optycznych ze szkła organicznego. Zastosowanie tego typu systemów daje możliwość wytworzenia w oparciu o model 3D-CAD elementów optycznych o geometrii trudnej lub niemożliwej do wykonania z zastosowaniem technologii tradycyjnych [2-8]. Projektowanie elementów optycznych o skomplikowanych kształtach w środowisku 3D-CAD wymaga zastosowania dwóch zasadniczych sposobów modelowania: powierzchniowego i bryłowego. Połączenie obydwu sposobów można nazwać modelowaniem hybrydowym. W przypadku złożonych elementów optycznych pierwszy etap modelowania oparty jest na wyznaczeniu krzywych poszczególnych przekrojów w celu stworzenia powierzchni soczewki. Drugi etap polega na stworzeniu modelu bryłowego na podstawie przygotowanych wcześniej powierzchni i uzupełnieniu go o pozostałe elementy bryły. W ten sposób powstaje model wzorcowy niezbędny w całym procesie produkcyjnym. Biorąc to wszystko pod uwagę model 3D-CAD zajmuje centralne miejsce w procesie wytwórczym opartym o systemy Rapid Tooling i integruje pozostałe metody i procesy począwszy od koncepcji a skończywszy na kontroli jakości geometrycznej wyrobu gotowego (rys. 1). 1 Politechnika Rzeszowska, WBMiL, Rzeszów, Al. Powstańców Warszawy 8, tel: , gbudzik@prz.edu.pl 2 B&M OPTIK, Zaczernie 798, , bmo@bmo.pl 3 Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu, Nowy Sącz, ul. Zamenhofa 1, tel: , mcygnar@pwsz-ns.edu.pl 4 WSK PZL Rzeszów S.A., ul. Hetmańska Rzeszów, anna.dobrowolska@wskrz.com 5 Politechnika Rzeszowska, Wydział Chemiczny, Rzeszów, Al. Powstańców Warszawy 6, tel: , molek@prz.edu.pl 2631

2 Rys. 1. Miejsce modelu 3D-CAD w procesie Rapid Tooling [1] 1. ANALIZA SYSTEMÓW RAPID TOOLING Systemy Rapid Tooling stosowane w przemyśle motoryzacyjnym i elektromaszynowym możemy podzielić trzy zasadnicze grupy: systemy bezpośredniego wytwarzania narzędzi jednorazowego użytku, systemy bezpośredniego wytwarzania narzędzi wielokrotnego użytku, systemy pośredniego wytwarzania narzędzi wielokrotnego użytku. Podział ten może przybierać też różne formy zależne od określonych zastosowań systemów szybkiego prototypowania (RP) i szybkiego wytwarzania narzędzi (RT). Jest to uwarunkowane dużą elastycznością tego typu systemów wytwórczych [6, 7]. W przypadku wytwarzania narzędzi służących do produkcji elementów optycznych zastosowanie mają systemy drugi i trzeci, system pierwszy bezpośredniego wytwarzania narzędzi jednorazowego użytku, dotyczy przede wszystkim szybkiego prototypowania form odlewniczych do odlewania stopów metali, które są następnie rozbijane w celu wyciągnięcia gotowego odlewu. Dotyczy to głównie technologii 3DP (Three Dimentional Printing), gdzie formy odlewnicze wykonywane są z mieszanek proszków gipsowych lub mieszanek piasków formierskich. Systemy bezpośredniego wytwarzania narzędzi wielokrotnego użytku związane są z przyrostowymi lub hybrydowymi metodami opartymi o procesy selektywnego spiekania lub stapiania proszków metali SLS (Selective Laser Sintering) oraz SLM (Selective Laser Melting). Dzięki temu możemy uzyskać narzędzie przeznaczone do dalszych etapów procesu wytwarzania np. wypraski elementu optycznego ze szkła organicznego. Systemy pośredniego wytwarzania narzędzi wielokrotnego użytku oparte są najczęściej na połączeniu kilku metod wytwarzania m.in. szybkiego prototypowania (RP) z zastosowaniem technik przyrostowych oraz obróbki ubytkowej (CAM/CNC) w celu wykonania wzorca. Wzorzec ten służy do wytworzenia matrycy lub formy silikonowej w procesie Vacuum Casting (VC) do której zalewa się pod obniżonym ciśnieniem lub wtryskuje niskociśnieniowo chemoutwardzalne polimery o właściwościach optycznych. Dzięki temu możliwe jest wykonanie prototypów lub krótkich serii elementów optycznych z materiałów polimerowych. 2. ISTOTA PROCESU RAPID TOOLING OPRARTEGO O SYSTEMY SLS/SLM Metody przyrostowe oparte selektywne warstwowe stapianie i spajanie proszków metali SLS/SLM są na tyle uniwersalne że można je zaliczyć jako typowe metody przyrostowe szybkiego prototypowania (RP) w oparciu tzw. pierwotną definicję ale również z powodzeniem można je zaliczyć do sztandarowych metod Rapid Tooling (RT) jak też stosować w procesie wytwarzania 2632

3 prototypów użytkowych jako metody Rapid Manufacturing (RM). Podział metod i systemów RP jest dostępny w literaturze [1, 3, 7], stąd nie ma potrzeby jego szczegółowego objaśniania. Selektywne warstwowe spajanie proszków metali czy polimerów (SLS) oraz selektywne stapianie proszków metali (SLM) polega na spajaniu powierzchni warstwy sproszkowanego materiału wiązką lasera. Schemat budowy modelu fizycznego metodą SLS/SLM przedstawia rysunek 2. Model fizyczny jest wykonywany na podstawie geometrii 3D-CAD zapisanej wstępnie w formacie STL lub SLC i podzielonej programowo na warstwy w celu wykonania prototypu fizycznego. Rys. 2. Schemat budowy modelu w procesie SLS/SLM W przypadku narzędzi wytwarzanych technologią SLS/SLM ważnym aspektem jest gęstość prototypu systemy te pozwalają uzyskać wyroby o gęstości bliskiej 100%. Równomierna struktura prototypów wykonanych ze stopów metali pozwala wnioskować, że możliwe jest wykonywanie obróbki cieplnej, obróbki wykończeniowej dzięki temu charakterystyki wytrzymałościowe oraz struktura geometryczna powierzchni tak uzyskanych narzędzi jest porównywalna do narzędzi uzyskanych metodami tradycyjnymi. W procesie technologicznym spajania proszku można wyróżnić kilka ogólnych parametrów: k współczynnik absorpcji, P moc lasera, v prędkość skanowania, o współczynnik zachodzenia, d grubość warstwy proszku. Parametry te mają wpływ na jakość oraz czas wytwarzania prototypu. Szczegółowe dane dotyczące procesu spiekania dostępne w materiałach dedykowanych do określonych urządzeń wytwórczych. Ustawienia tego typu parametrów stanowią odrębne zagadnienie związane bezpośrednio w procesem wytwarzania danego prototypu lub narzędzia technologicznego oraz typu systemu przyrostowego, który jest użyty do jego wykonania [3, 7]. Jednym z czołowych producentów urządzeń wytwórczych działających w technologii SLS jest niemiecka firma EOS GmbH. Oferuje ona systemy klasyfikowane w zależności od rodzajów użytych materiałów eksploatacyjnych (materiałów polimerowych lub stopów metali). Stopy metali dedykowane są do określonego urządzenia lub grupy urządzeń. Dla przykładu dla urządzenia EOSINT M270 (rys. 3) znajdującego się na wyposażeniu Katedry Konstrukcji Maszyn na Wydziale Budowy Maszyn Politechniki Rzeszowskiej możliwe jest stosowanie następujących materiałów: DirectMetal 20, Maraging Steel MS1, Cobal Chrome SP2,Cobalt ChromeMP1, Stainless Steel GP1 StainlessSteel PH1, Stopy niklu, Stopy tytanu: TiAl6V4, Ti64 ELI, TiCP, 2633

4 Rys. 3. Widok urządzenia EOSINT M270 w Katedrze Konstrukcji Maszyn WBMiL, PRz Przyrostowy proces budowy modelu realizowany jest na platformie roboczej, gdzie proszek rozprowadzany jest kolejno warstwa po warstwie. Wiązka lasera spieka warstwę w pierwszej kolejności obrys przekroju, następnie wypełnienia wnętrze przekroju warstwy (rys. 4). Po utwardzeniu platforma robocza obniża się o grubość warstwy i następuje ponowne rozprowadzenie proszku. Utwardzanie kolejnej warstwy powoduje nadtopienie warstwy poprzedniej, tworzy się jednolita struktura aż do uzyskania kompletnej bryły modelu. Rys. 4. Widok procesu spiekania w komorze roboczej urządzenia EOSINT M270 W urządzeniu EOSINT M 270 stosowana jest opracowana przez Firmę EOS technologia DMLS Direct Metal Laser Sintering umożliwiająca wykonywanie gotowych elementów metalowych mających skomplikowaną budowę np. kanały wewnętrzne. Urządzenia do warstwowego wytwarzania narzędzi i elementów maszyn ze sproszkowanych stopów metali oferowane są przez kilku czołowych producentów systemów szybkiego prototypowania 2634

5 m.in. 3D Systems, SLM Solutions, Realizer SLM, EOS, Renishaw i znajdują coraz szersze zastosowanie w procesach RP/RM/RT. Poszerza się również gama stosowanych materiałów również o materiały szlachetne stopy złota do wyrobu biżuterii. Z tego względu celowa jest analiza kolejnych zastosowań tego typu urządzeń w obszarze produkcji narzędzi stosowanych w przemyśle optycznym. WNIOSKI Systemy selektywnego spiekanie oraz stapiania laserowego znajdują coraz szersze zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu i stanowią alternatywną metodę produkcyjną w przypadku realizacji skomplikowanych, czasochłonnych i wymagających dużych nakładów finansowych operacji. Uniwersalność tego typu systemów pozwala na znajdowanie coraz to nowych obszarów zastosowań. Poszerza się również gama dostępnych na rynku materiałów co daje ogromne możliwości zastosowania metody w wielu gałęziach przemysłu oraz medycynie. Przedstawiona analiza systemów SLS/SLM jako systemów Rapid Tooling pokazuje, że mogą mieć one zastosowanie do produkcji narzędzi stosowanych w produkcji elementów optycznych dla komponentów i wyposażenia pojazdów samochodowych. Kolejnym etapem rozważań i badań musi być jednak szczegółowa analiza procesu SLS/SLM w odniesieniu do konkretnych wyrobów tu narzędzi dla branży optycznej związanej z przemysłem samochodowym, następnie opracowanie modeli 3D-CAD tych wyrobów i narzędzi przygotowanie szczegółowych wytycznych procesu technologicznego w celu wytworzenia narzędzi o założonych parametrach konstrukcyjnych. Takie podejścia pozwoli docelowo na uruchomienie seryjnej produkcji elementów optycznych w oparciu o systemy Rapid Prototyping i Rapid Tooling. Streszczenie Artykuł przedstawia analizę możliwości zastosowania metod Rapid Tooling do wytwarzania innowacyjnych narzędzi stosowanych w produkcji elementów optycznych wyposażenia pojazdów samochodowych. W pierwszej części artykułu opisane są metody Rapid Tooling jako metody wytwarzania wspomagane komputerowo. Stosowane są one obecnie w wielu gałęziach przemysłu w tym przemyśle motoryzacyjnym oraz związanych z nim branżach m.in. w branży optycznej. W kolejnej części publikacji przedstawiony jest proces bezpośredniego wytwarzania narzędzi wielokrotnego użytku możliwy do zastosowania do wytwarzania narzędzi dla procesu produkcyjnego elementów optycznych. Proces opisano na przykładzie systemu EOSINT M270. Jest to system oparty o przyrostowy proces szybkiego prototypowania możliwy do wykorzystania jako proces Rapid Tooling (RT). Możliwe jest szybkie wytwarzania narzędzi produkcyjnych stosowanych w kolejnych etapach procesu technologicznego elementów optycznych. Jak wynika z analizy zastosowanie metod RP i RT przyspiesza znacznie proces otrzymywania nowych rozwiązań oraz modernizacji już istniejących. Prototypy i prototypowe narzędzia wykonywane metodami RP i RT mogą mieć wielorakie zastosowanie w procesie wytwórczym elementów optycznych. Słowa kluczowe: Rapid Tooling, Rapid Prototyping, elementy optyczne, wyposażenie pojazdu The analysis of the applicability of Rapid Tooling methods to produce innovative tools used in the production of optical components for the equipment of motor vehicles Abstract The article presents an analysis of the applicability of methods of Rapid Tooling for producing innovative tools used in the production of optical equipment of motor vehicles. In the first part of the article describes the Rapid Tooling process as a method of computer-aided manufacturing. They are now used in many industries including the automotive and related industries, among others, in the optical industry. The next section publication a process for the direct production of reusable instruments can be applied to the manufacture of tools for the production process of optical elements. The process is described on the example of EOSINT M270. This system is based on an incremental process of rapid prototyping possible to use as a process of Rapid Tooling (RT). It can quickly preparing production tools used in subsequent process steps of optical elements. As the analysis of the application of methods RP and RT significantly accelerates the process of obtaining new solutions and upgrade existing ones. Prototypes and prototype tools made RP and RT methods may have a multitude of uses in the manufacturing process of optical elements. 2635

6 Keywords: Rapid Tooling, Rapid Prototyping, optical elements, vehicle equipment BIBLIOGRAFIA 1. Budzik G.: Dokładność geometryczna łopatek turbin silników lotniczych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Budzik G.: Prototype tools for machining the elements of the instrumental optics, Archives of Mechanical Technology and Automation, 27, 2, 2007, s Budzik G.: Szybkie wytwarzanie prototypów z tytanu, Stal Metale & Nowe Technologie, nr 7-8/ Budzik G.: Odwzorowanie powierzchni krzywoliniowej łopatek części gorącej silników lotniczych w procesie szybkiego prototypowania, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Budzik G., Kozik B., Pacana J., Żmuda B.: Modelling and prototyping of aeronautical planetary gear demonstrator, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 17, No , s Ceder M., Budzik G., Zboiński M.: Technologie wytwarzania przyrostowego w praktyce. MECHANIK, z. 8-9s , Liou W.: Rapid Prototyping and engineering applications a toolbox for prototype development, Taylor & Francis Group, Sobolak M., Budzik G.: Prototypowanie kół zębatych z wykorzystaniem stereolitografii i odlewania próżniowego, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, 217, Koła Zębate 2004, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2004, s