Nowoczesne techniki przyspieszające wytwarzanie

Transkrypt

1 Nowoczesne techniki przyspieszające wytwarzanie Z. Rudnicki Techniki skracające czas projektowania i wytwarzania Sukces rynkowy nowego produktu zależy od jego jakości i szybkości pojawienia się w sprzedaży. W procesie projektowania należy, zatem przebadać wiele różnych rozwiązań a następnie szybko wytworzyć prototyp. Można to zrobić dzięki technikom komputerowym skracającym czas (projektowania i wytwarzania) - Time Compression Technologies (TCT), 2 1

2 Time Compression Technologies (TCT) - techniki przyspieszajace wytwarzanie: 1) Virtual Prototyping - wirtualne prototypowanie (badanie prototypu istniejącego w komputerze) 2) Rapid Prototyping - szybkie wytwarzanie rzeczywistych prototypów maszyn i urządzeń 3) Rapid Manufacturing - szybka produkcja seryjna 4) Rapid Tooling - szybkie wykonywanie narzędzi 5) Reverse Engineering - inżynieria wsteczna, czyli tworzenie modelu bryłowego w komputerze na podstawie rzeczywistego obiektu 3 1) Virtual Prototyping - wirtualne prototypowanie to badania dotyczące prototypu wirtualnego czyli sztucznego bo istniejącego tylko w komputerze 4 2

3 Prototypowanie wirtualne (Virtual Prototyping) - to proces tworzenia oraz badania wirtualnego prototypu. Obejmuje: komputerowe zaprojektowanie obiektu symulację procesu wytwarzania (np. odlewania czy obróbki mechanicznej) badania symulacyjne własności np.: wytrzymałościowych (analizy Metodą Elem. Skończonych i inne) funkcjonalnych (kinematyka, dynamika,...) ergonomicznych (obsługa, serwis) możliwości recyklingu Badania obiektu wirtualnego czyli modelu komputerowego mogą obejmować: sprawdzanie wielu wariantów rozwiązań sprawdzanie wykonalności (na obrabiarce numerycznej) symulacje procesu odlewania sprawdzanie możliwości montażu i wykrywanie kolizji badania wytrzymałościowe (MES - FEM) statyczne i dynamiczne wyznaczanie przepływów ciepła i rozkładów temperatury symulacja pracy: kinematyczna (ruch) i dynamiczna (ruch + siły, momenty, tarcie,...)

4 Komputerowe programy do wirtualnego prototypowania Oprogramowanie Virtual prototyping pozwala zbudować realistyczny model poruszającego się prototypu i prowadzić na nim badania dotyczące kinematyki ruchu a także dynamiki z uwzględnieniem mas, sił, tarcia, tłumienia, odkształceń, naprężęń, drgań i.t.d. Pozwala to optymalizować projekt przed rzeczywistym wykonaniem prototypu. 7 Niektóre systemy do modelowania i badań symulacyjnych WorkingModel - symulacje obiektów dwuwymiarowych Visual Nastran - symulacje obiektów trójwymiarowych ADAMS (analiza kinematyki i dynamiki), ADINA (liniowa i nieliniowa, statyczna i dynamiczna analiza metodą elementów skończonych), FIDAP (analiza przepływów), MATLAB + SIMULINK (modelowanie i symulacja układów dynamicznych - w tym układów sterowania). 8 4

5 Przykład symulacji w programie Workingmodel 9 2) Rapid Prototyping - szybkie wytwarzanie prototypów 10 5

6 Rapid Prototyping Systems (RPS) Systemy szybkiego wytwarzania prototypów to grupa urządzeń i technologii wchodzących w skład CAM (Computer Aided Manufacturing) komputerowego wspomagania wytwarzania. Jest to automatyczne wytwarzanie elementów maszyn lub innych przedmiotów za pomocą urządzeń sterowanych z komputera na podstawie opracowanego wcześniej modelu bryłowego. W odróżnieniu od metod ubytkowych stosowanych przez obrabiarki, metody RP są addytywne - to znaczy polegają na stopniowym nakładaniu (dodawaniu, doklejaniu) kolejnych warstw materiału, przez klejenie, stapianie, spiekanie czy utwardzania różnych materiałów za pomocą lasera lub innych wiązek promieniowania. Używana jest również nazwa Solid Freeform Fabrication (Wytwarzanie Trwałych Kształtów). 11 Rapid Prototyping Systems (RPS) c.d. Pierwsze RPS powstały w latach 80-tych, początkowo tylko do produkcji prototypów a obecnie znajdują coraz szersze zastosowanie także do produkcji narzędzi lub krótkich serii wysokiej jakości elementów. Słowo "szybkie" oznacza w praktyce okres od kilku do kilkudziesięciu godzin zależnie od metody i zastosowanego sprzętu oraz złożoności modelu. Stosuje się różne materiały np.: o wysokiej temperaturze topnienia dla końcowego produktu i o niskiej temperaturze topnienia jako wypełniacze separujące poszczególne części. 12 6

7 Ważniejsze metody Rapid Prototyping 13 Szybkie Prototypowanie - Rapid Prototyping Przykład Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych (CAMT) w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej

8 SL - Stereolitografia Była pierwszą technologią szybkiego wytwarzanie prototypów. Zapoczątkowało ją wynalezienie przez R. Hulla fotoinicjatorów, tj. dodatków do płynnych żywic, które powodowały po naświetleniu, rozpoczęcie procesu polimeryzacji. W 1987 powstała firma 3D Systems, która zaczęła rozpowszechniać metodę SL i sprzedawać maszyny do szybkiego wytwarzania prototypów metodą SL. W 1999 r. maszynę SLA250/30 firmy 3D Systems do stereolitografii kupił Instytut Mechaniki i Konstrukcji Politechniki Warszawskiej. 15 Stereolitografia Komputerowy model bryłowy zostaje zaimportowany z systemu CAD do programu sterującego maszyną do stereolitografii Wytwarzanie modelu polega na warstwowym utwardzaniu żywic epoksydowych lub akrylowych pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, którego źródłem jest laser małej mocy. Jest uznawana za technikę charakteryzującą się największą dokładnością odwzorowania i jakością wykończenia. Wytwarzany obiekt powstaje na platformie zanurzanej w wannie z płynnym fotopolimerem i stopniowo obniżanej po utwardzeniu każdej kolejnej warstwy. W odróżnieniu od tańszej obróbki skrawaniem daje możliwość utworzenia skomplikowanej struktury wewnętrznej elementu. 16 8

9 Stereolitografia Promień lasera utwardza te fragmenty wyrównanej płynnej warstwy fotopolimeru, które mają należeć do wytwarzanego prototypu. 17 Stereolitografia c.d. Proces stereolitografii w maszynie SLA polega na utwardzaniu płynnej żywicy pod działaniem promieni UV lasera (fotopolimeryzacji). Tor wiązki lasera sterowany jest poprzez zwierciadło sterowane komputerem. Polimeryzacja przebiega tylko w obszarze naświetlania, w ściśle określonej objętości - stąd duża dokładność. 18 9

10 Maszyna stereolitograficzna SLA250/30 1. laser, 2. układ optyczny, 3. przestrzeń robocza, 4. zestaw kontrolny z komputerem sterującym. 19 Stereolitografia - przykłady 20 10

11 Stereolitografia - przykłady 21 Stereolitografia - przykłady (

12 FDM - Fused Deposition Modeling - nakładanie stopionego materiału Fused Deposition Modeling FDM jest technologią opracowaną przez S. Scotta Crumpa w 1989 roku[3]. Polega na: wtapianiu w model kolejnych porcji materiału termoplastycznego. Inaczej mówiąc prototyp powstaje przez doklejanie cienkiej nitki (0.127 do 0.33 mm) stopionego materiału termoplastycznych - jak: ABS, PC, PPSF lub drutów metalowych Wykorzystywany jest na przemian materiał modelowy oraz materiał podporowy - później usuwany. Technika ta dystrybuowana jest przez firmę Stratasys i jest drugą pod względem popularności zastosowania metodą RP. 23 FDM - Fused Deposition Modeling c.d. Maszyna FORTUS 360 (406 x 356 x 406 mm) Zastosowanie: Prototypy urządzeń i części maszyn (obudowy, włączniki, wsporniki) Prototypy opakowań szklanych i z tworzyw sztucznych (butelki, słoiki) Części zamienne maszyn i urządzeń Pełnowartościowe narzędzia i przyrządy Prototypy współpracujących mechanizmów Testy funkcjonalne, kształtu, dopasowania, analizy wytrzymałościowe Badania ergonomii, wizualizacje FEM (wykrywanie obszarów niebezpiecznych) 24 12

13 FDM - Fused Deposition Modeling c.d. Zalety produktów wytwarzanych na maszynie FORTUS 360 : Duża wytrzymałość wytworzonych produktów Możliwość uzyskania modelu w kolorach: białym niebieskim, żółtym, zielonym, czarnym, czerwonym oraz szarym Dokładne i funkcjonalne prototypy przy możliwie niskim koszcie wykonania Możliwość dalszej obróbki mechanicznej (wiercenie, frezowanie) Możliwość nanoszenia różnorodnych powłok galwanicznych (chromowanie) Szczelność i odporność na działanie wody 25 FDM - przykłady w/g:

14 SLS - Selective Laser Sintering Selektywne spiekanie laserowe (Selective Laser Sintering SLS) opracowane w roku 1986 przez Carla Deckarda z University of Texas i niezależnie w roku 1979 przez Rossa F. Housholdera Używa laserów dużej mocy do warstwowego spiekania małych cząstek plastiku, metalu, ceramiki lub szkła. Mimo że jest to proces znacznie bardziej złożony od poprzednich, jest od nich atrakcyjniejszy ze względu na większy zakres dostępnych materiałów. 27 SLS - Selective Laser Sintering c.d 28 14

15 SLS selektywne spiekanie laserem proszków PA (poliamid). System EOSINT P390 posiada komorę roboczą 340x340x620 mm. Dokładność wykonania prototypów ok. 0,1 mm. Wysoka wytrzymałość mechaniczna i termiczna (do 130 C). Technologia SLS jest idealnym rozwiązaniem w przypadku małych serii produkcyjnych. System współpracuje z materiałami bazującymi na poliamidach oraz polistyrenach. 29 Urządzenie EOS Formiga P100 w Katedrze Systemów Wytwarzania AGH 30 15

16 Urządzenie EOS Formiga P100 w Katedrze Systemów Wytwarzania AGH c.d. Spajanie proszku z tworzyw (poliamidy, polistyreny) przy pomocy lasera CO 2 Laser nagrzewa powyżej temperatury topnienia Moc lasera 30 W, długość fali 10,2-10,8 mikrometra 31 EBM - Electron Beam Melting Stapianie metali wiązką elektronową w próżni jest metodą opracowaną w roku 1993 przez Ralfa Larsona ze szwedzkiej firmy Arcam AB (technologią podobną do SLS), służącą do tworzenia prototypów metalowych o dużej trwałości na drodze warstwowego stapiania cienkich warstw metalu w komorze próżniowej za pomocą wiązki elektronowej, w temperaturze stopni C Stosowane są m.in. stopy tytanu Produkowane mogą być m.in. implanty 32 16

17 DMLS (Direct Metal Laser Sintering) Technologia DMLS - bezpośredniego spajania proszków metali jest najmłodszą techniką przyrostową, umożliwiającą wykonywanie produktów z metali. Technologia umożliwia wykonanie bardzo precyzyjnych modeli prototypowych - w pełni funkcjonalnych i wytrzymałych - ze stali narzędziowych i nierdzewnych lub brązu Grubość warstwy modelowej wynosi 0,020mm. 33 LOM - Laminated Object Manufacturing 34 17

18 LOM - Laminated Object Manufacturing Instytut Odlewnictwa w Krakowie posiada urządzenie RPS-LOM 2030E. Proces tworzenia modelu przebiega następująco: Po zaprojektowaniu przestrzennego modelu bryły w programie CAD rysunek jest zapisywany w formacie STL i przesłany siecią do komputera sterującego maszyną LOM. Oprogramowanie RPS-LOM sprawdza poprawność modelu i tnie komputerowy model bryłowy na cienkie warstewki Maszyna laserem wycina poszczególne warstewki z podawanego z rolki specjalnego samoprzylepnego papieru i nakleja je na siebie Dla łatwiejszego usuwania papier poza bryłą jest cięty na kwadraty Otrzymany model laminowany (warstwowy) jest czyszczony a czasem i malowany. 35 LOM czyli Laminated Object Manufacturing Sklejanie modelu z wycinanych laserowo warstw papieru. Model papierowy pozwala utworzyć formę odlewniczą i wykonać metalowy odlew prototypu 36 18

19 LOM czyli Laminated Object Manufacturing 37 LOM - Laminated Object Manufacturing wykonane prototypy są niezastąpione przy weryfikacji projektu i mogą być używane jako modele-matki dla sporządzania form dla odlewów metalowych modele LOM są łatwo obrabialne, mogą być np. szlifowane, frezowane, wiercone i malowane praktycznie nie ma ograniczeń co do złożoności wymiar prototypu jest niemal nieograniczony z uwagi na możliwość budowy prototypu w częściach i ich dokładnego sklejenia

20 LOM - Laminated Object Manufacturing Tak otrzymany model może być wykorzystywany na różne sposoby: 1) jako model służący do bezpośredniego formowania; 2) jako rdzennica do wykonania rdzeni odlewniczych; 3) jako modele "matki" na podstawie których wykonuje się modele odlewnicze z żywic syntetycznych do formowania ręcznego i maszynowego, 4) jako model do wykonania matrycy z gumy silikonowej służącej do wykonywania modeli woskowych, 5) jako model wypalany po naniesieniu powłoki ceramicznej. Wykorzystanie metody RPS-LOM w P.I.O. Specodlew do wykonywania odlewów jednostkowych spowodowało skrócenie procesu technologicznego, obniżenie kosztów produkcji, podniesienie jakości i podwyższenie dokładności wymiarowej odlewów. 39 3DP - Three Dimensional Printing Drukowanie 3D Technologia analogiczna do drukarek atramentowych, stosując w nich warstwowe natryskiwanie roztopionego wosku (Thermal Phase Change Inkjets) lub metalu (Liquid Metal Jet Printing), jak również materiału utwardzanego optycznie (Photopolymer Phase Change Inkjets). Technologia druku trzywymiarowego (Three Dimensional Printing 3DP) opracowana w roku 1989 przez Emanuela Sachsa, Johna Haggerty ego, Michaela Cima i Paula Williamsa w Massachusetts Institute of Technology polega na: sklejaniu warstwowo układanego materiału proszkowego za pomocą odpowiednio natryskiwanego kleju. Jest prawdopodobnie najszybszą metodą Rapid Prototyping

21 3DP - Parametry przykładowych drukarek 41 Etapy w drukowaniu 3D 42 21

22 3DP - 3D Printing Drukowanie trójwymiarowe 43 Drukarka 3D 44 22

23 3DPrinting - Modele gipsowe Do drukowania przestrzennego w zasadzie można zastosować każdy materiał, który uda się sproszkować. W praktyce czasem trudność stanowi spojenie proszku. Najczęściej stosowanym materiałem jest gips, ze względu na łatwość spojenia, niski koszt i dostępność. Zastosowanym spoiwem jest woda DPrinting - inne materiały Oprócz gipsu stosuje się także wosk, celulozę, dekstran a także mieszanki tych materiałów ze sobą. Wyroby wykonane z tych materiałów charakteryzują się małą wytrzymałością. Stosuje się je przede wszystkim do wykonywania modeli przyszłych wyrobów[3]. Innymi wykorzystywanymi materiałami są metale, polimery, ceramika oraz mieszanki tych materiałów ze sobą. Proszek z tych materiałów jednak trudno jest spoić i wymagają one specjalnych spoiw, np.: koloidów. Znalazły one duże zastosowanie przede wszystkim w medycynie, do budowy rusztowań do wzrostu tkanek (ang. scaffolds)

24 Metody RP i materiały 47 3) Rapid Manufacturing - szybkie seryjne wytwarzanie 48 24

25 Szybkie Wytwarzanie (Rapid Manufacturing) - jest raczej zastosowaniem powyższych technologii niż technologią nową. Kiedy maszyna do szybkiego prototypowania wykonuje z docelowego materiału setki lub tysiące części, z których każda ma inny kształt lub strukturę, mamy do czynienia z produkcją masową indywidualnie kształtowanych produktów. 49 4) Rapid Tooling - szybkie wytwarzanie narzędzi 50 25

26 Szybkie Tworzenie Form i Narzędzi - Rapid Tooling - z pojedynczego obiektu, najczęściej wytworzonego w procesie szybkiego prototypowania, można szybko wykonać całą serię podobnych obiektów. [źródło: Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych (CAMT) w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej Rapid Tooling w Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu - CAMT Politechniki Wrocławskiej. Technologie powielania prototypów, dostępne w Laboratorium, to m.in.: technologia form silikonowych do odlewania próżniowego, technologia wykonywania skorup gniazd form wtryskowych z naparowanego metalu oraz technologia gniazd form z żywicy epoksydowej. Wszystkie one mogą służyć do wytwarzania serii produktów z tworzyw sztucznych - poliuretanów bądź tworzyw termoplastycznych, ale możliwe jest także zastosowanie prototypów z materiału podobnego do wosku jako wzorców w odlewaniu metodą traconego rdzenia

27 CAMT Politechniki Wrocławskiej Komora MCP/TAFA do napylania metali 53 5) Reverse Engineering - inżynieria wsteczna czyli tworzenie modelu komputerowego na podstawie istniejącego przedmiotu z zastosowaniem skanerów 3D 54 27

28 Inżynieria Wsteczna (Reverse Engineering) Z rzeczywistego fizycznego przedmiotu tworzy się model komputerowy, który następnie może być użyty do wytwarzania technologią szybkiego prototypowania. [źródło: CAMT PW 55 Skanery 3D MDX-15 to trzyosiowa frezarka i skaner w jednym. Aby rozpocząć skanowanie należy zainstalować piezoelektryczny moduł skanujący zamiast głowicy frezującej. MDX-20 skanuje z dokładnością do 0,05 mm, a frezuje z dokładnością do 0,00625 mm Jest kompatybilny z większością programów CAD/CAM/3D, obsługuje formaty przemysłowe - DXF, IGES, VRML, Point Cloud; 56 28

29 Skanery 3D 57 CAMT Politechniki Wrocławskiej - Laserowy skaner 3D Digibot II firmy Digibotics, Inc

30 Skanowanie trójwymiarowe 59 Skaner Artec 3D Skaner Artec 3D działa jak kamera, przy czym każdy zarejestrowany obraz jest trójwymiarowy. Oprogramowanie wyznaczy trójwymiarową siatkę obiektu na podstawie zdjęć obiektu wykonanych z różnych stron. Szybkość do 1.5 milliona punktów na sek., rozdzielczość ok. 0.2mm, dokładność pomiaru ok. 0.02mm (w/g: