Modu 9: Szybkie Prototypowanie

Transkrypt

1 Mechatronika Modu 9: Szybkie Prototypowanie podr czniki, (pomys ) prof. dr hab. in. Edward Chlebus dr in. Bogdan Dyba a, dr in. Tomasz Boraty ski dr in. Jacek Czajka dr in. Tomasz B dza dr in. Mariusz Frankiewicz mgr in. Tomasz Kurzynowski Politechnicka Wroclawska/ Polska Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji przemys owej. UE-Projekt Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/ "MINOS + +", okres od 2008 do 2010 r. Ten projekt zosta zrealizowany przy wsparciu finansowym Komisji Europejskiej. Projekt lub publikacja odzwierciedlaj jedynie stanowisko ich autora i Komisja Europejska nie ponosi odpowiedzialno ci za umieszczon w nich zawarto

2 Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS** project. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Zawarto Szkolenia Minos: modu y 1 8 (podr czniki, wiczenia i rozwi zania do wicze dla): Podstawy/ Kompetencje mi dzykulturowe, zarz dzenie projektem/ Fluidyka / Nap dy Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/ Logistyka, Teleserwis, Bezpiecze stwo/ Zdalne Zarz dzanie, Diagnostyka Minos **: modu y 9 12 (podr czniki, wiczenia i rozwi zania do wicze dla): Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy Wszystkie modu y dost pne s w nast puj cych j zykach: Polski, Angielski, Hiszpa ski, W oski, Czeski, W gierski i Niemiecki W celu uzyskania dodatkowych informacji prosz si skontaktowa z Chemnitz University of Technology Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, Chemnitz phone: + 49(0) fax: + 49(0) minos@mb.tu-chemnitz.de or

3 1 WPROWADZENIE CAD KOMUNIKACJA CAD RP FORMAT STL Budowa oraz tworzenie plików STL Orientacja trójkątów Układ współrzędnych i jednostki w formacie STL Tworzenie plików STL Najczęstsze błędy oraz wady formatu STL Zasady tworzenia plików STL Generowanie *.stl w różnych programach ZABIEGI PRZED-PROCESOWE W RP EDYCJA PLIKÓW STL NAPRAWA PLIKÓW STL GENEROWANIE SUPORTÓW RAPID PROTOTYPING RP (SZYBKIE PROTOTYPOWANIE) STEREOLITOGRAFIA (SLA, SL) SELEKTYWNE SPIEKANIE LASEREM (SLS/SLM SELECTIVE LASER SINTERING/MELTING) MCP Realizer II urządzenie firmy MCP HEK EOSINT M270 urządzenie RP firmy EOS M3 Linear urządzenie firmy Concept Laser TrumaForm LF 250 urządzenie firmy TRUMPF EBM S12 urządzenie firmy ARCAM Sinterstation HiQ System urządzenie firmy 3D SYSTEMS LAMINATED OBJET MANUFACTURING (LOM) MODELOWANIE WARSTWOWE TOPIONYM MATERIAŁEM (FDM - FUSED DEPOSITION MODELING) LASEROWE FORMOWANIE Z PROSZKÓW (LASER POWDER FORMING TECHNOLOGIES) INK JET PRINTING DRUKOWANIE TRÓJWYMIAROWE (3DP THREE DIMENSIONAL PRINTING) METODA BEZPOŚREDNIEGO UTWARDZANIA PODŁOŻA (SGC - SOLID GROUND CURING) INŻYNIERIA ODWROTNA WPROWADZENIE

4 6.2 ZASTOSOWANIA INŻYNIERII ODWROTNEJ W PRZEMYŚLE METODY DIGITALIZACJI Dotykowe metody digitalizacji Metody optyczne punktowe Metody optyczne liniowe Metody optyczne obszarowe Skanowanie niszczące URZĄDZENIA I OPROGRAMOWANIE DIGITALIZACJA GEOMETRII Etapy digitalizacji Planowanie procesu digitalizacji Akwizycja danych Przetwarzanie danych i budowa modelu CAD LITERATURA

5 1 Wprowadzenie W istniejącym obecnie, wysoce zindustrializowanym świecie nieustająca potrzeba redukowania czasu planowania i konstruowania wyrobów oraz potrzeba zapewniania najwyższej jakości produktowi w chwili wprowadzania go na rynek wymusza rozwój nowych technologii mających na celu zredukowanie czasu wprowadzania nowego wyrobu na rynek (time to market). Nowe technologie dostarczają narzędzi umożliwiających rozszerzenie zagadnienia zapewniania jakości z obszaru wytwarzania na cały cykl rozwoju produktu. Składają się na nie techniki i metody, które pozwalają na redukcje czasu rozwoju produktu, począwszy od etapu formułowania potrzeb, a skończywszy na etapie wprowadzania finalnego wyrobu na rynek. Jednym z podstawowych celów jest minimalizowanie bezproduktywnego czasu z jednoczesnym polepszeniem jakości produktu. Za podstawowy składnik wszystkich tych technik uważa się matematyczny model obiektu (CAD 3D). Model ten jest zbiorem danych, które umożliwiają opisanie, we właściwy sposób, geometrycznych kształtów dowolnego trójwymiarowego obiektu. Podstawowe zasady oraz potencjalne narzędzia znane są od wielu lat, ale z powodu określonych problemów, w szczególności związanych z kosztami, wyspecjalizowanym oprzyrządowaniem oraz kulturą, aplikacje adresowane są przeważnie do odbiorców bardzo bogatych lub o strategicznym znaczeniu. Model matematyczny może być otrzymany na dwa różne sposoby: Bezpośrednio, używając narzędzi komputerowych do trójwymiarowego projektowania (CAD - Computer Aided Design) Poprzez skopiowanie elementu z wykorzystaniem narzędzi, takich jak kamery wideo, systemy reverse engineering, CAT (Computerized Axial Tomography), które są wybierane z zależności od typu elementu, obszaru zastosowań, wymaganej dokładności, itd. Raz otrzymany model może być wykorzystywany do różnych celów, począwszy od archiwizacji po możliwość przeprowadzania testów, ulepszaniu geometrii, wykorzystaniu w aplikacjach multimedialnych, 5

6 w analizach i testach FEM rzeczywistych procesów produkcyjnych, wykonywaniu prototypów i form z wykorzystaniem technik rapid prototyping i rapid tooling. [61] Technologie te wykorzystując różne materiały, są w stanie wykonać, w docelowym materiale, prototyp lub serie prototypową obiektu w oparciu o jego model numeryczny uzyskany z systemu CAD 3D lub z procesu reverse engineering. Wspólnym mianownikiem tych systemów jest sposób budowy prototypu, który budowany jest z wykorzystaniem procesów "bezubytkowych" dokładając poszczególne warstwy zgodnie z informacjami zapisanymi w pliku STL. RP, który jest narzędziem wizualizacyjnym, pomaga firmom redukować prawdopodobieństwo dostarczenia złego lub złej jakości produktu na rynek. Modele takie posiadają wiele zastosowań. Są doskonałą wizualną pomocą podczas wymiany pomysłów z współpracownikami lub klientami. Dodatkowo mogą być wykorzystywane w fazach testowania. Na przykład, inżynier lotnictwa może wykonać model płatu skrzydła i w tunelu aerodynamicznym zmierzyć siły nośne i oporu. Poza wykonywaniem prototypów, techniki RP mogą być użyte do wykonywania oprzyrządowania (znane jako rapid tooling) a nawet wysokiej jakości produktów (rapid manufacturing). Oczywiście rapid prototyping nie jest doskonały. Objętość wykonywanych elementów jest ograniczona, ich rozmiar zależy od urządzenia. Dla dużych serii produkcyjnych lub prostych obiektów tradycyjne techniki wytwarzania są zazwyczaj bardziej ekonomiczne. Jeżeli pominiemy te ograniczenia, to rapid prototyping jest godną uwagi technologia, która znacząco wspomaga proces wytwarzania. Z biegiem czasu, poszukiwania i rozwój pozwolą na dalszą ewolucję tych systemów, w zakresie wydajności (krótszy czas budowania, mniejsze tolerancje, lepsza jakość powierzchni, zwiększona odporność modeli RP na warunki klimatyczne oraz na czynniki mechaniczne, termiczne i chemiczne). Definitywna akceptacja rynku i późniejszy sukces. tych technologii został stwierdzony, a wynika on z niezahamowanej tendencji do redukowania czasu rozwoju nowych produktów. Był i jest to główny czynnik sukcesu. 6

7 2 CAD CAD (ang. Computer Aided Design) komputerowo wspomagane projektowanie. Oprogramowanie z tej dziedziny pozwala i jest wykorzystywane do projektowania wymyślonego przez inżyniera detalu czy mechanizmu. Systemy CAD wspierają budowę i projektowanie, są używane do szkicowania i modelowania geometrycznego. Modelowanie geometryczne służy do reprezentacji 3D modelowanych części i złożeń. Reprezentacja złożeń zawiera także opis struktury montażowej, która jest nazywana strukturą produktu. Reprezentacja 3D części i złożeń jest wykorzystywana do tworzenia dokumentacji technicznej np. rysunki, lista części, indeksy materiałowe. Pierwsze, opracowane systemy CAD oferowały funkcjonalność, która pozwalała na tworzenie dokumentacji płaskiej. Z czasem dodano funkcje do generowania modeli 3D. Dostępna była biblioteka prymitywów (stożek, walec, kula i inne.), które można było wykorzystać w tworzeniu modeli 3D. Wychodzono z założenia, że najpierw postaje dokumentacja 2D a na jej podstawie tworzone są modele 3D. Z czasem jednak to podejście zmieniło się z uwagi na dynamiczny rozwój modułów 3D. W końcu narzędzia do projektowania 3D stały się na tyle sprawne i proste w użycie, że projektowanie 3D stało się podstawowym modułem systemu CAD natomiast rysunki 2D traktowano jako dodatek. W końcu stwierdzono, że rysunki 2D to nic innego jak prezentacja modelu 3D w postaci np. rzutów, przekrojów i opracowano specjalne funkcje systemów CAD, które umożliwiają wygenerowanie dokumentacji 2D w sposób prawie automatyczny. Systemy CAD zawierają biblioteki gotowych obiektów (śruby, łożyska, wpusty etc.), które mogą być wykorzystane w pracach projektowych. Konstruktor nie musi więc posługiwać się różnego rodzaju katalogami w poszukiwaniu jakiegoś elementu. Może wyszukać go w bazie oraz dodatkowo pobrać do swojego projektu jego model 3D. Biblioteki części są zwykle otwarte i użytkownicy mogą je wzbogacać o części swojego autorstwa. W takim przypadku stają się one dostępne dla innych osób korzystających w przedsiębiorstwie z systemu CAD i mających dostęp do bibliotek części. Tego typu biblioteki czynią proces projektowania bardziej wydajnym. Modelowanie geometryczne jest techniką, której używamy do opisania kształtów danego obiektu. Systemy CAD pozwalają Definicja 7

8 usprawnić proces projektowania oraz skracają czas rozwoju produktu. Zastosowanie komputerów oraz programów graficznych wspomaga lub usprawnia prace projektowania produktu od koncepcji do dokumentacji. Praca z systemem CAD to interaktywna sesja z systemem komputerowym, która prowadzi do modelowania części. Na wykonanym modelu można przeprowadzać różne operacje. Nowoczesne systemy CAD umożliwiają modelowanie parametryczne, które bazuje na dwukierunkowym skojarzeniu pomiędzy wymiarami, które mogą być prezentowane zarówno w trybie szkicowania, w trybie 3D lub w trybie rysowania 2D i geometrią 3D i na odwrót. Oznacza to, że na dowolnym etapie projektowania części możemy zmieniać każdy z wprowadzonych wcześniej wymiarów. Przykładem takiego programu jest system SolidWorks czy też CATIA. Systemy te zapisują każdy krok projektowy i całą historię tworzenia modelu prezentują w postaci drzewa. Zmiana parametrów modelu odbywa się poprzez odszukanie operacji w drzewie i edycję jej parametrów. Modyfikować można również szkice na bazie których powstała operacja. Po zapisaniu zmian cały model jest aktualizowany. Aktualizacja modelu może zakończyć się niepowodzeniem ponieważ kolejne operacje mogą bazować na geometrii zmodyfikowanej operacji. W takim przypadku system sygnalizuje, które operacje są problematyczne i wymagają ingerencji ze strony użytkownika. Aktualnie wszystkie szanujące się systemy CAD pozwalają na: tworzenie projektów w trzech wymiarach, tworzenie rysunków złożeniowych z kilku osobnych elementów, sprawdzenie czy do siebie pasują, pracę nad jednym dużym projektem przez wiele osób, automatyczną aktualizację wszystkich rysunków złożeniowych po dokonaniu zmiany na pojedynczym detalu, automatyczne tworzenie listy detali, kosztorysowanie, współpracę z magazynem itd. wizualizacje. 8

9 Główne funkcje systemów CAD to: geometryczne modelowanie obiektów, tworzenie i edycja dokumentacji konstrukcyjnej, zapisywanie i przechowywanie dokumentacji w postaci elektronicznej, zarówno w postaci plików, jak i baz danych, wymiana danych z innymi systemami, tworzenie trójwymiarowych projektów konstruowanych elementów, tworzenie rysunków złożeniowych z kilku osobnych części, pracę nad jednym projektem przez wiele osób, automatyczną aktualizację wszystkich rysunków złożeniowych po dokonaniu zmiany na jednym z nich, automatyczne kosztorysowanie, współpracę z magazynem itp. Komputerowo wspomagane projektowanie składa się z trzech poziomów: koncepcja, w której przeprowadzana jest analiza, kompilacja wariantów rozwiązań oraz oszacowanie rozwiązania z punktu widzenia ich poprawności, rozwój koncepcji, następuje tu specyfikacja koncepcji rozwiązania, określenie skali projektu, konstrukcja modelu, oszacowanie rozwiązania, szczegół, gdzie następuje reprezentacja indywidualna części oraz oszacowanie rozwiązań. Proces projektowania CAD składa się z 6 faz [44]: rozpoznanie potrzeby, zdefiniowanie problemu, synteza, analiza i optymalizacja, ocena, prezentacja. 9

10 PROCES PROJEKTOWANIA CAD ROZPOZNANIE POTRZEB ZDEFINIOWANIE PROBLEMU SYNTEZA MODELOWANIE GEOMETRYCZNE ANALIZA OPTYMALIZACJI ANALIZA INŻYNIERSKA OCENA SPRAWDZENIE DOKUMENTACJI I OCENA PREZENTACJA AUTOMATYCZNE RYSOWANIE Rys Proces projektowania z zastosowaniem CAD Korzyści wynikające z wykorzystania systemów CAD: umożliwienie wyznaczania rozwiązania optymalnego, podwyższenie jakości uzyskanego rozwiązania (dokładne modele matematyczne (CAD 3D)), odciążenie projektanta od czasochłonności i często nudnych prac rutynowych (kreślenie, obliczenia), zwiększone możliwości korzystania z istniejących rozwiązań projektowych, dzięki wykorzystaniu komputerowych baz danych istniejących norm i katalogów, możliwość przeprowadzenia symulacji zachowania się projektowanego obiektu w różnych warunkach, jeszcze na etapie projektowania. Korzyści wynikające z wdrożenia systemu CAD są bezsporne i przedsiębiorstwo może w wyniku jego zastosowania wzmocnić swoją pozycję konkurencyjną. Konstrukcyjna pozycja produktu jako całości know-how zakładu jest tylko jednym z ogniw łańcucha działań technicznego przygotowania produkcji. Jeśli nie jest ona optymalnie i interaktywnie powiązana z wszystkimi innymi dziedzinami zaliczanymi do know-how przedsiębiorstwa, to zainstalowanie nawet najlepszego systemu CAD nie przyniesie przedsiębiorstwu, jako całości, żadnych większych korzyści (oprócz 10